الفلك

إذا لم يكن الوقت مطلقًا ويعتمد على مجال الجاذبية ، فلماذا نستمر في استخدام وقتنا (الخاص) في علم الكونيات؟

إذا لم يكن الوقت مطلقًا ويعتمد على مجال الجاذبية ، فلماذا نستمر في استخدام وقتنا (الخاص) في علم الكونيات؟

آسف إذا كان سؤالي غير واضح حقًا ، لكنه في الحقيقة ليس واضحًا في ذهني أيضًا. لكن ربما يمكن لبعضكم المساعدة. الوقت ليس مطلقًا ويمكن أن يتأثر بقدرة الجاذبية. والسؤال المطروح الآن هو: هل تعتمد مفاهيم مثل عمر الكون ، والوقت بين مختلف العصور الكونية ، وما إلى ذلك ، على موقع الراصد فيما يتعلق بمجال الجاذبية؟ إذا كانت الإجابة بنعم ، فما مقدار الأشياء التي ستتغير إذا كنا مراقبين ، على سبيل المثال ، بالقرب من ثقب أسود أو في حالة عدم وجود الجاذبية؟


الحصول على الطابع الزمني UTC في Java

يقترح منشور Stack Overflow القديم أن طريقة الحصول على الطابع الزمني UTC في Java هي كما يلي:

للأسف هذا لا يعمل بالنسبة لي. لدي برنامج بسيط للغاية (مستنسخ أدناه) يوضح سلوكًا مختلفًا.

على نظام التشغيل Windows: الوقت هو التوقيت المحلي ويتم تسميته بإزاحة بتوقيت جرينتش

على لينكس: الوقت هو مرة أخرى بالتوقيت المحلي ، ويتم تسميته بشكل صحيح حسب المنطقة الزمنية المحلية

سؤال: كيف نعرض الطابع الزمني لـ UTC في برنامج Java؟

نموذج كود المصدر الخاص بي هو كما يلي:

إخراج Windows:

إخراج Linux:


هل حان الوقت للتخلص من الوقت؟

غالبًا ما تفكر P oets في الوقت على أنه نهر ، تيار يتدفق بحرية ينقلنا من صباح الولادة المشع إلى الشفق الذهبي للشيخوخة. إنه الامتداد الذي يفصل بين برعم الربيع الحساس وزهرة الصيف الخصبة.

يفكر الفيزيائيون في الوقت من منظور عملي إلى حد ما. بالنسبة لهم ، الوقت هو وسيلة لقياس التغيير - سلسلة لا نهاية لها من اللحظات التي ، متشابكة معًا مثل الخرز ، تحول المستقبل غير المؤكد إلى الحاضر والحاضر إلى ماض محدد. يسمح مفهوم الوقت للباحثين بحساب متى يدور مذنب حول الشمس أو كيف تعبر الإشارة شريحة سيليكون. تقدم كل خطوة في الوقت المناسب نظرة خاطفة على تطور الظواهر التي لا تعد ولا تحصى في الطبيعة.

بعبارة أخرى ، الوقت أداة. في الواقع ، كانت الأداة العلمية الأولى. يمكن الآن تقطيع الوقت إلى شرائح رقيقة مثل جزء من عشرة تريليون من الثانية. لكن ما الذي يتم تقطيعه؟ على عكس الكتلة والمسافة ، لا يمكن أن تدرك حواسنا الجسدية الوقت. نحن لا نرى الوقت أو نسمع أو نشم أو نلمس أو نتذوق. ومع ذلك فنحن نقيسه بطريقة ما. ككادر من المنظرين يحاولون توسيع وصقل النظرية العامة للنسبية ، قانون آينشتاين الجاذب للجاذبية ، فإنهم يواجهون مشكلة مع الوقت. مشكلة كبيرة.

تقطيعها إلى شرائح رقيقة: تحافظ ساعة مازر الهيدروجين على الوقت من خلال استغلال ما يسمى بالانتقال فائق الدقة. ويكيميديا ​​كومنز

يقول عالم الرياضيات جون بايز ، من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد: "إنها أزمة ، وقد يأخذ الحل الفيزياء في اتجاه جديد". ليست فيزياء عالمنا اليومي. ستستمر ساعات التوقيت والبندولات وساعات مازر الهيدروجين في تتبع الطبيعة بشكل جيد هنا في ضواحينا الأرضية منخفضة الطاقة. تنشأ الأزمة عندما يحاول الفيزيائيون دمج العالم الكبير - الكون بأكبر مقياس له - مع العالم المصغر للجسيمات دون الذرية.

تحت حكم نيوتن ، كان الوقت مميزًا. تم تسجيل كل لحظة من خلال ساعة عالمية كانت منفصلة وبعيدة عن الظاهرة قيد الدراسة. في النسبية العامة ، لم يعد هذا صحيحًا. أعلن أينشتاين أن الوقت ليس مطلقًا - ولا توجد ساعة معينة خاصة - وأن معادلاته التي تصف كيفية عمل قوة الجاذبية تأخذ هذا في الاعتبار. يبدو قانون الجاذبية الخاص به هو نفسه بغض النظر عن الساعة التي تستخدمها كمقياس. يشرح الفيزيائي النظري كريستوفر إيشام من إمبريال كوليدج في لندن: "بشكل عام ، يعتبر الزمن تعسفيًا تمامًا". "التنبؤات المادية الفعلية التي تأتي من النسبية العامة لا تعتمد على اختيارك للساعة." ستكون التوقعات هي نفسها سواء كنت تستخدم ساعة تسير بالقرب من سرعة الضوء أو ساعة تجلس بهدوء في المنزل على رف.

ومع ذلك ، لا يزال اختيار الساعة أمرًا بالغ الأهمية في مجالات الفيزياء الأخرى ، وخاصة ميكانيكا الكم. تلعب دورًا مركزيًا في معادلة الموجة الشهيرة لإروين شرودنجر لعام 1926. توضح المعادلة كيف يمكن اعتبار الجسيم دون الذري ، سواء كان يسافر بمفرده أو يدور حول الذرة ، على أنه مجموعة من الموجات ، حزمة موجية تتحرك من نقطة إلى نقطة في الفضاء ومن لحظة إلى لحظة في الوقت المناسب.

وفقًا لرؤية ميكانيكا الكم ، يتم تقطيع الطاقة والمادة إلى أجزاء منفصلة تسمى الكوانتا ، وتكون حركاتها غير واضحة وغير واضحة. يتقلبون بجنون. لا يمكن تحديد سلوك هذه الجسيمات بالضبط ، بالطريقة التي يمكن بها لمسار الصاروخ. باستخدام معادلة شرودنجر الموجية ، يمكنك فقط حساب احتمال أن يصل الجسيم - حزمة الموجة - إلى موضع أو سرعة معينة. هذه صورة مختلفة تمامًا عن عالم الفيزياء الكلاسيكية حتى أن أينشتاين انتقدها. أعلن أنه لا يمكن أن يصدق أن الله سيلعب النرد مع العالم.

نحن لا نرى الوقت أو نسمع أو نشم أو نلمس أو نتذوق. ومع ذلك فنحن نقيسه بطريقة ما.

قد تقول إن ميكانيكا الكم أدخلت ضبابية في الفيزياء: يمكنك تحديد الموقع الدقيق للجسيم ، ولكن عند المقايضة لا يمكن قياس سرعته جيدًا. على العكس من ذلك ، إذا كنت تعرف مدى سرعة الجسيم ، فلن تكون قادرًا على معرفة مكانه بالضبط. ولخص فيرنر هايزنبرغ هذا الموقف الغريب والغريب بمبدأ عدم اليقين الشهير. لكن كل هذا العمل ، غير المؤكد كما هو ، يحدث على مرحلة ثابتة من المكان والزمان ، ساحة ثابتة. ساعة موثوقة موجودة دائمًا - هناك حاجة دائمًا ، حقًا - لتتبع الأحداث وبالتالي تمكين علماء الفيزياء من وصف كيفية تغير النظام. على الأقل ، هذه هي الطريقة التي يتم بها الآن إعداد معادلات ميكانيكا الكم.

وهذا هو لب المشكلة. كيف يُتوقع من الفيزيائيين أن يدمجوا قانونًا واحدًا في الفيزياء - أي الجاذبية - لا يتطلب ساعة خاصة للوصول إلى توقعاتها ، مع القواعد دون الذرية لميكانيكا الكم ، والتي تستمر في العمل ضمن إطار زمني نيوتن عالمي؟ بطريقة ما ، تسير كل نظرية على إيقاع عازف طبول مختلف (أو دقات ساعة مختلفة).

هذا هو السبب في أن الأمور تبدأ بالجنون قليلاً عندما تحاول مزج هذين المجالين من الفيزياء. على الرغم من أن المقياس الذي تلعبه الجاذبية الكمومية صغير جدًا بحيث لا يمكن للتكنولوجيا الحالية قياس هذه التأثيرات بشكل مباشر ، يمكن للفيزيائيين تخيلها. ضع الجسيمات الكمومية على الحصيرة النابضة والمرنة للزمكان ، وسوف تنثني وتنطوي مثل الكثير من المطاط. وستؤثر هذه المرونة بشكل كبير على عمل أي ساعة تتبع الجسيمات. من المحتمل أن تشبه الساعة التي تم اصطيادها في هذا العالم الصغير الصغير ساعة بندول تعمل وسط اهتزازات وهزات الزلزال. يوضح إيشام: "هنا تخضع الساحة ذاتها لتأثيرات كمومية ، ولا يتبقى لدى المرء ما يقف عليه". "يمكن أن ينتهي بك الأمر في موقف ليس لديك فيه فكرة عن الوقت على الإطلاق." لكن الحسابات الكمومية تعتمد على إحساس مؤكد بالوقت.

F أو Karel Kucha ، وهو نسبي عام وأستاذ فخري في جامعة يوتا ، فإن مفتاح قياس الوقت الكمي هو ابتكار ساعة مناسبة باستخدام الرياضيات الذكية - وهو شيء كان يحاول ، بشكل متقطع ، لعدة عقود. يعتقد Kucha أنه محافظ بطبيعته ، من الأفضل التمسك بما تعرفه قبل الانتقال إلى حلول أكثر جذرية. لذلك كان يبحث عن ما يمكن تسميته بالنسخة دون المجهرية لساعة نيوتن ، جهاز ضبط الوقت الكمي الذي يمكن استخدامه لوصف الفيزياء التي تجري في عالم غير عادي تحكمه الجاذبية الكمية ، مثل الأجزاء الداخلية للثقب الأسود أو الأول لحظة الخلق.

على عكس الساعات المستخدمة في الفيزياء اليومية ، لن تقف ساعة Kucha الافتراضية في زاوية ، ولا تتأثر بما يجري حولها. سيتم تعيينه داخل نظام صغير كثيف حيث تحكم الجاذبية الكمية وستكون جزءًا لا يتجزأ منه. هذه الحالة من الداخل لها عيوبها: ستتغير الساعة مع تغير النظام - لذا لتتبع الوقت ، يجب عليك معرفة كيفية مراقبة هذه الاختلافات. بطريقة ما ، سيكون الأمر مثل الاضطرار إلى فتح ساعة يدك والتحقق من عملها في كل مرة تريد الرجوع إليها.

المرشحون الأكثر شيوعًا لهذا النوع الخاص من الساعات هم ببساطة "ساعات المادة". "هذا ، بالطبع ، هو نوع الساعة التي اعتدنا عليها منذ زمن بعيد. يشير كوتشا إلى أن جميع الساعات التي نحيط بها مصنوعة من مادة. يعني ضبط الوقت التقليدي ، بعد كل شيء ، اختيار وسيط مادي ما ، مثل مجموعة من الجسيمات أو سائل ، وتحديد التغييرات فيه. ولكن باستخدام القلم والورق ، يأخذ Kucha رياضيًا ساعات المادة في مجال الجاذبية الكمومية ، حيث يكون مجال الجاذبية قويًا للغاية وتبدأ تلك التأثيرات المحتملة لميكانيكا الكم في الظهور. إنه يأخذ وقتًا حيث لم تذهب ساعة من قبل.

صعود المجهول

اسمحوا لي أن أخبركم بقصة قصيرة خيالية عن غزاة إسباني حقيقي للغاية ، فرانسيسكو دي أوريلانا. في عام 1546 تم القبض عليه وسجنه في زنزانة صغيرة رطبة. وسرعان ما تم استدعاؤه وحكم عليه قاض. اقرأ أكثر

ولكن عندما تغامر في هذا المجال ، كما يقول كوتشا ، "تصبح المادة أكثر كثافة وأكثر كثافة". وهذا هو كعب أخيل لأي شكل من أشكال المادة يتم اختياره ليكون ساعة في ظل هذه الظروف القاسية ، فإنه يتم سحقه في النهاية. قد يبدو هذا واضحًا منذ البداية ، لكن كوتشا بحاجة إلى فحص كيفية تعطل الساعة بدقة حتى يتمكن من فهم العملية بشكل أفضل واستنباط استراتيجيات رياضية جديدة لبناء ساعته المثالية.

تعتبر هندسة الفضاء نفسها واعدة أكثر كساعة كمومية: مراقبة الانحناء المتغير للزمكان مع توسع الكون الرضيع أو تشكل ثقب أسود. يعتقد كوتشا أن مثل هذه الخاصية قد تظل قابلة للقياس في الظروف القاسية للجاذبية الكمية. يقدم الكون المتوسع أبسط مثال على هذا المخطط. تخيل أن الكون الصغير هو بالون منتفخ. في البداية ، ينحني سطحه بشكل حاد. ولكن عندما ينفجر البالون ، فإن انحناء سطحه ينمو بشكل أقل عمقًا وأكثر سطحية. يوضح كوتشا أن "الهندسة المتغيرة تسمح لك برؤية أنك في لحظة زمنية واحدة بدلاً من لحظة أخرى." بمعنى آخر ، يمكن أن تعمل كساعة.

لسوء الحظ ، كل نوع من الساعات التي حققها Kucha حتى الآن يؤدي إلى وصف كمي مختلف ، وتنبؤات مختلفة لسلوك النظام. يوضح كوتشا: "يمكنك صياغة ميكانيكا الكم الخاصة بك فيما يتعلق بساعة واحدة تضعها في الزمكان والحصول على إجابة واحدة".

ولكن إذا اخترت نوعًا آخر من الساعات ، ربما يعتمد على مجال كهربائي ، فستحصل على نتيجة مختلفة تمامًا. من الصعب تحديد أي من هذه الأوصاف ، إن وجدت ، صحيحة ".

سيكون الأمر مثل الاضطرار إلى فتح ساعة يدك والتحقق من عملها في كل مرة تريد الرجوع إليها.

أكثر من ذلك ، يجب ألا تنهار الساعة المختارة في النهاية. تقترح نظرية الكم أن هناك حدًا لمدى دقة قطع المساحة. أصغر حبة فضاء كميّة يمكن تخيلها هي 10-33 سم ، طول بلانك ، سمي على اسم ماكس بلانك ، مخترع الكم. على هذا المقياس المتناهي الصغر ، تتحول لوحة الزمكان متقطعة ومختلطة ، مثل القمم البيضاء على بحر غاضب. يصبح المكان والزمان غير ملتصقين ويبدأان في الغمز للوجود والخروج من الوجود في رغوة احتمالية الزمان والمكان ، كما نعرفهما ، لم يعد من السهل تحديدهما. هذه هي النقطة التي تصبح فيها الفيزياء غير معروفة ويبدأ المنظرون في السير على أرض مهزوزة. كما يشير الفيزيائي بول ديفيز في كتابه حول الوقت، "يجب أن تتخيل جميع الأشكال الهندسية الممكنة - كل الزمكانات الممكنة ، والتواءات الفراغية ، والتواءات الزمنية - مختلطة معًا في نوع من الكوكتيل ، أو" الرغوة "

فقط نظرية الجاذبية الكمومية المطورة بالكامل ستظهر ما يحدث حقًا في هذا المستوى الصغير بشكل لا يمكن تصوره من الزمكان. يخمن كوتشا أن بعض خصائص النسبية العامة (غير معروفة حتى الآن) لن تخضع لتقلبات كمية في هذه المرحلة. قد يتمسك شيء ما ولا ينفصل. إذا كان هذا صحيحًا ، فيمكن أن تكون هذه الخاصية بمثابة الساعة الموثوقة التي طالما سعى Kucha للحصول عليها. وبهذا الأمل ، يواصل كوتشا استكشاف الاحتمالات المتنوعة واحدة تلو الأخرى.

كان كوتشا يحاول تشكيل النسبية العامة في أسلوب ميكانيكا الكم ، لإيجاد ساعة خاصة لها. لكن بعض الفيزيائيين الآخرين الذين يحاولون فهم الجاذبية الكمومية يعتقدون أن المراجعة يجب أن تحدث في الاتجاه المعاكس - أن الجاذبية الكمية يجب أن تكون على غرار النسبية العامة ، حيث يتم دفع الوقت إلى الخلفية. كارلو روفيلي هو مناصر لهذا الرأي.

F orget time ”، يعلن روفيلي بشكل قاطع. "الوقت مجرد حقيقة تجريبية." روفيلي ، عالم فيزياء في مركز الفيزياء النظرية في فرنسا ، كان يعمل على مقاربة للجاذبية الكمومية خالدة بشكل أساسي. لتبسيط الحسابات ، قام هو ومعاونوه ، الفيزيائيان أبهاي أشتيكار ولي سمولين ، بإنشاء فضاء نظري بدون ساعة. وبهذه الطريقة ، تمكنوا من إعادة كتابة نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، باستخدام مجموعة جديدة من المتغيرات بحيث يمكن تفسيرها بسهولة أكبر وتكييفها للاستخدام على المستوى الكمي.

سمحت صياغتهم للفيزيائيين باستكشاف كيف تتصرف الجاذبية على النطاق دون الذري بطريقة جديدة. لكن هل هذا ممكن حقًا دون أي إشارة إلى الوقت على الإطلاق؟ يجيب روفيلي: "أولاً بالنسبية الخاصة ثم بالنسبية العامة ، أصبح مفهومنا الكلاسيكي للوقت أضعف وأضعف". "نحن نفكر من حيث الوقت. نحن في حاجة إليها. لكن حقيقة أننا بحاجة إلى وقت لتنفيذ تفكيرنا لا تعني أنه حقيقة واقعة ".

وجهة نظر أخرى للوقت: يعتقد بعض علماء الفيزياء أن الوقت خاصية ناشئة للعديد من الجسيمات ، مثل درجة الحرارة أو الضغط. Toa55 / شترستوك

يعتقد روفيلي أنه إذا وجد الفيزيائيون قانونًا موحدًا يربط جميع قوى الطبيعة تحت راية واحدة ، فسيتم كتابته دون أي إشارة إلى الوقت. يقول روفيلي: "بعد ذلك ، في مواقف معينة ، كما هو الحال عندما لا يكون مجال الجاذبية قوياً بشكل كبير ، فإن الواقع ينظم نفسه بحيث ندرك التدفق الذي نسميه الوقت."

يقول روفيلي إن التخلص من الوقت في معظم قوانين الفيزياء الأساسية سيتطلب على الأرجح قفزة مفاهيمية كبيرة ، نفس النوع من التعديل الذي كان على علماء القرن السادس عشر إجراؤه عندما وضع كوبرنيكوس الشمس ، وليس الأرض ، في مركز الكون. من خلال القيام بذلك ، قام رجل الدين البولندي بركل الأرض بشكل فعال ، على الرغم من أنه كان من الصعب في ذلك الوقت تخيل كيف يمكن للأرض أن تقترب من مدارها حول الشمس دون أن يقذف ركابها عن السطح. يلاحظ روفيلي: "في القرن السادس عشر ، اعتقد الناس أن تحريك الأرض أمر مستحيل".

لكن ربما تكون القواعد الحقيقية خالدة ، بما في ذلك تلك المطبقة على العالم دون الذري. في الواقع ، كانت هناك حركة جارية لإعادة كتابة قوانين ميكانيكا الكم ، وهو تجديد حفزته جزئيًا مشكلة الوقت ، من بين ألغاز كمومية أخرى. كجزء من هذا البرنامج ، أعاد المنظرون صياغة المعادلات الأساسية لميكانيكا الكم لإزالة أي إشارة مباشرة إلى الوقت.

على أصغر المقاييس ، لن يكون للوقت أي معنى ، تمامًا مثل اللوحة التنقيطية ، التي تم إنشاؤها من رقع من الطلاء ، لا يمكن فهمها عن قرب.

يمكن إرجاع جذور هذا النهج إلى إجراء قدمه الفيزيائي ريتشارد فاينمان في الأربعينيات من القرن الماضي ، وهي طريقة تم توسيعها وتوسيعها من قبل آخرين ، بما في ذلك جيمس هارتل من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا والفيزياء الحائز على جائزة نوبل موراي جيل- مان.

إنها طريقة جديدة للنظر إلى معادلة شرودنغر. كما تم إعداده في الأصل ، تسمح هذه المعادلة للفيزيائيين بحساب احتمال تحرك الجسيم مباشرة من النقطة A إلى النقطة B خلال شرائح زمنية محددة. النهج البديل الذي قدمه فاينمان يأخذ في الاعتبار بدلاً من ذلك العدد اللانهائي من المسارات التي يمكن للجسيم أن يسلكها للوصول من A إلى B ، بغض النظر عن مدى ضآلة الفرصة. يتم إزالة الوقت كعامل فقط المسارات المحتملة مهمة. تلخيصًا لهذه الإمكانات (بعض المسارات أكثر احتمالًا من غيرها ، اعتمادًا على الظروف الأولية) ، يظهر مسار محدد في النهاية.

تتم أحيانًا مقارنة العملية بالتداخل بين الموجات. عندما تتحد موجتان في المحيط ، فإنها قد تعزز بعضها البعض (مما يؤدي إلى موجة جديدة وأكبر) أو تلغي بعضهما البعض تمامًا. وبالمثل ، قد تعتقد أن هذه المسارات العديدة المحتملة تتفاعل مع بعضها البعض - بعضها يتعزز ، والبعض الآخر مدمر - لإنتاج المسار النهائي. الأهم من ذلك ، أن متغير الوقت لم يعد يدخل في الحسابات.

كان هارتل يكيّف هذه التقنية مع مساعيه في علم الكونيات الكمومي ، وهو مسعى يتم فيه تطبيق قوانين ميكانيكا الكم على الكون اليافع لتمييز تطوره. بدلاً من التعامل مع الجسيمات الفردية ، على الرغم من ذلك ، فهو يعمل مع جميع التكوينات التي يمكن أن تصف كوزموسًا متطورًا ، مجموعة لا حصر لها من الأكوان المحتملة. عندما يلخص هذه التكوينات المتنوعة - بعضها يعزز بعضها البعض ، والبعض الآخر يلغي بعضها البعض - يظهر زمكان معين في النهاية. بهذه الطريقة ، يأمل هارتل في الحصول على أدلة على سلوك الكون خلال عصر الجاذبية الكمومية. بشكل ملائم ، ليس عليه اختيار ساعة خاصة لتنفيذ الفيزياء: يختفي الوقت كمتغير أساسي.

بالطبع ، كما يشير Isham ، "بعد أن تخلصنا من الوقت ، نكون مضطرين لشرح كيفية عودتنا إلى العالم العادي ، حيث يحيط بنا الوقت". يمتلك منظرو الجاذبية الكمومية حدسهم. مثل روفيلي ، يشك الكثيرون في أن الوقت ليس أساسياً على الإطلاق. يتردد هذا الموضوع مرارًا وتكرارًا في الأساليب المختلفة التي تهدف إلى حل مشكلة الوقت. يقولون إن الوقت قد يكون أكثر شبهاً بخاصية فيزيائية مثل درجة الحرارة أو الضغط. لا معنى للضغط عندما تتحدث عن جسيم واحد أو ذرة واحدة ، ينشأ مفهوم الضغط فقط عندما نفكر في تريليونات الذرات. يمكن لمفهوم الوقت أن يشارك هذه الميزة الإحصائية بشكل جيد. إذا كان الأمر كذلك ، فإن الواقع يشبه الرسم التنقيطي. على أصغر المقاييس - طول بلانك - لن يكون للوقت أي معنى ، تمامًا كما لا يمكن فهم اللوحة التنقيطية ، التي تم إنشاؤها من رقع من الطلاء ، عن قرب.

يحب منظرو الجاذبية الكمية مقارنة أنفسهم بعلماء الآثار.يقوم كل محقق بالحفر بعيدًا في موقع مختلف ، للعثور على قطعة أثرية منفصلة لبعض المدن الجوفية الشاسعة. لم يتم تحقيق المدى الكامل للاكتشاف. ما يحتاجه المنظرون بشدة هو البيانات والأدلة التجريبية التي يمكن أن تساعدهم في الاختيار بين الأساليب المختلفة.

تبدو مهمة مستحيلة ، ويبدو أنها تتطلب إعادة تكوين الظروف الجهنمية للانفجار العظيم. ولكن ليس بالضرورة. على سبيل المثال ، قد تشعر الأجيال القادمة من "تلسكوبات موجة الجاذبية" ، وهي الأدوات التي تكتشف التموجات في الحصيرة المطاطية للزمكان ، يومًا ما بصدى رعد الانفجار العظيم ، وهي آثار من لحظة الخلق عندما ظهرت قوة الجاذبية لأول مرة. يمكن أن توفر مثل هذه الموجات أدلة حيوية لطبيعة المكان والزمان.

"لم نكن نصدق قبل [عقود] فقط أنه سيكون من الممكن قول ما حدث في الدقائق العشر الأولى من الانفجار العظيم" ، يشير كوتشا. لكن يمكننا الآن القيام بذلك من خلال النظر إلى وفرة العناصر. ربما إذا فهمنا الفيزياء على مقياس بلانك جيدًا بما فيه الكفاية ، فسنكون قادرين على البحث عن بعض النتائج - البقايا - التي يمكن ملاحظتها اليوم ". إذا تم العثور على مثل هذه الأدلة ، فإنها ستجلب لنا أقرب ما يكون إلى أصولنا وربما تسمح لنا أخيرًا بإدراك كيف نشأ المكان والزمان من العدم منذ حوالي 14 مليار سنة.

مارشا بارتوسياك مؤلفة وصحفية وأستاذة في برنامج الدراسات العليا في الكتابة العلمية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تكتب عن علم الفلك والفيزياء.

مقتبس من إرساليات من الكوكب 3: اثنتان وثلاثون حكاية (موجزة) عن النظام الشمسي ودرب التبانة وما وراءهما بقلم مارسيا بارتوسياك ، جديد من مطبعة جامعة ييل. حقوق النشر © 2018 بواسطة Marcia Bartusiak.


التعريف

Europäisches Forschungszentrum für Kern- und Teilchenphysik (Centre Européen pour la Récherche Nucleaire)، angesiedelt nahe Genf beidseits der französisch-schweizerischen Grenze، gegründet 1954.

CERN nicht nur für seine Teilchenbeschleuniger wie den Large Hadron Collider (LHC) bekannt، sondern auch als Geburtsort des World Wide Web.

الوقت من حقائق الحياة أنه لا تحدث كل الأحداث في كوننا بشكل متزامن - بدلاً من ذلك ، هناك نظام معين. تحديد إحداثيات زمنية أو تحديد الوقت ، بالطريقة التي يقوم بها الفيزيائيون ، هو تحديد وصفة طبية لربط كل حدث برقم يعكس هذا الترتيب - إذا حدث الحدث B بعد الحدث A ، فيجب أن يكون الرقم المرتبط بـ B أكبر من ذلك المرتبط بـ A. الخطوة الأولى من هذا التعريف هي إنشاء ساعة: اختر عملية بسيطة تتكرر بانتظام. (ما هو "منتظم"؟ لحسن الحظ ، في عالمنا ، كل العمليات الأولية مثل البندول المتأرجح ، أو اهتزازات الذرات أو الدوائر الإلكترونية تؤدي إلى نفس مفهوم الانتظام.) كخطوة ثانية ، قم بتثبيت عداد: آلية هذا ، مع كل تكرار للعملية المختارة ، يرفع العد بواحد. باستخدام هذا التعريف ، يمكن للمرء على الأقل تخصيص وقت (القيمة العددية للعداد) للأحداث التي تحدث في موقع الساعة. للأحداث في مواقع مختلفة ، من الضروري تعريف إضافي: يحتاج المرء إلى تعريف التزامن. بعد كل شيء ، فإن العبارة التي تفيد بأن حدثًا بعيدًا يحدث A في الساعة 12 هو نفس القول بأن الحدث A و "يظهر عداد الساعة 12:00:00" متزامن. كيف ولماذا تعريف التزامن - قطعة مركزية في نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين - موصوفة في موضوع الضوء تعريف "الآن". مع كل هذه الاستعدادات ، يمكن للفيزيائيين ، من حيث المبدأ ، تعيين قيمة إحداثيات زمنية ("وقت") لأي أحداث محتملة ، ويصفون مدى سرعة أو بطء حدوث العمليات ، مقارنةً بإحداثيات الوقت. تمدد الوقت في النسبية الخاصة: من وجهة نظر المراقب (بتعبير أدق: مراقب بالقصور الذاتي) ، تتحرك الساعة المتحركة أبطأ من الساعة ذات التركيب المتماثل في حالة السكون. يتم إبطاء جميع العمليات الأخرى التي تتحرك جنبًا إلى جنب مع الساعة (على سبيل المثال: كل شيء يحدث على متن صاروخ يمر بسرعة) بطريقة مماثلة. يمكن أن يكون تمدد الوقت متبادلاً: عندما يتقدم اثنان من المراقبين بالقصور الذاتي على بعضهما البعض ، سيجد كل منهما أن الساعات الأخرى تسير بشكل أبطأ. يتم استكشاف بعض جوانب هذا التبادلية غير المألوفة في موضوع دائرة الضوء. الطريق. في النسبية العامة ، هناك ظاهرة تمدد زمن الجاذبية: بالمعنى التقريبي ، تعمل الساعات الموجودة بالقرب من كتلة أو مصدر آخر للجاذبية بشكل أبطأ من الساعات البعيدة. ترتبط هذه الظاهرة ارتباطًا وثيقًا بانزياح الجاذبية إلى الأحمر. السنكروترون

مسرع الجسيمات ، حيث يتم تسريع الجسيمات بمساعدة الحقول الكهربائية ، بينما تبقيها الحقول المغناطيسية القوية على المسار الصحيح (حقيقة أن هناك حاجة إلى مجالات مغناطيسية أقوى باستمرار مع استمرار التسارع هي نتيجة لحقيقة أن الكتلة النسبية تزداد مع السرعة .)

بشكل تقريبي ، في النسبية ، يكون الموقف أو الزمكان ثابتًا إذا لم يكن هناك تغيير بمرور الوقت. لكي نكون أكثر دقة ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار أنه ، في النسبية العامة ، يمكن تعريف الوقت بعدة طرق مختلفة ، وكلها صالحة بشكل متساوٍ لصياغة قوانين الفيزياء. يؤدي هذا إلى تعريف معدل: يكون الموقف أو الزمكان ثابتًا إذا كان من الممكن تحديد الوقت بطريقة بحيث لا يكون هناك تغيير في خصائصه بمرور الوقت - إذا اتبعت خصائص منطقة معينة من الفضاء بمرور الوقت ، لن يتغيروا. السرعة متوسط ​​سرعة الكائن هو المسافة التي يتحركها خلال فترة زمنية معينة مقسومة على طول الفترة الزمنية. إذا جعلت الفترة الزمنية صغيرة بشكل لا نهائي ، فإن النتيجة هي سرعة الجسم في لحظة معينة من الزمن. يمكن تطبيق مفهوم السرعة على الموجات بطرق مختلفة ، على سبيل المثال ، بالنسبة لموجة بسيطة ، فإن سرعة المرحلة هي السرعة التي تنتشر بها أي قمة أو موجة عبر الفضاء. راجع أيضًا سرعة الدخول الأكثر عمومية. النسبية الخاصة نظرية ألبرت أينشتاين عن أساسيات المكان والزمان والحركة (لكن ليس الجاذبية). للحصول على مقدمة موجزة ، راجع فصل النسبية الخاصة لأينشتاين الابتدائي. تم وصف جوانب مختارة من النسبية الخاصة في فئة النسبية الخاصة لأضواءنا على النسبية. الفضاء بالمعنى الدقيق للكلمة: الفضاء كما نعرفه من الحياة اليومية: مجموع جميع الأماكن التي يمكن أن تجلس فيها الأشياء ، بثلاثة أبعاد. بمعنى أكثر عمومية يستخدمه علماء الرياضيات ، جميع أنواع مجموعات النقاط هي مسافات - خط على سبيل المثال ، له بعد واحد فقط ، أو سطح ثنائي الأبعاد ، ولكن أيضًا فضاءات ذات أبعاد أعلى. أيضًا ، في مثل هذه المساحات العامة ، يمكن أن تختلف الهندسة عن الهندسة الإقليدية القياسية التي يتم تدريسها في المدارس الثانوية - يمكن أن تكون هذه المساحات منحنية. يُطلق على النماذج النسبية أو التأثيرات أو الظواهر التي تلعب فيها النسبية الخاصة أو النسبية العامة دورًا حاسمًا اسم النسبية. ومن الأمثلة على ذلك نظريات المجال الكمي النسبية كنظريات تستند إلى النسبية الخاصة ، أو تحول الحضيض النسبي كنتيجة للنسبية العامة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الظروف التي يكون فيها الفرق بين الفيزياء النسبية والفيزياء الكلاسيكية واضحة بشكل خاص ، تسمى أيضًا النسبية. على سبيل المثال ، عندما تصل الأجسام المادية إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء ، يتحدث المرء عن سرعات نسبية ، في حين أن السرعات الصغيرة جدًا مقارنة بالضوء لجعل التأثيرات النسبية صغيرة بشكل لا يمكن اكتشافه هي غير نسبية. جسيم البروتون الذي يحمل شحنة كهربائية موجبة وهو ضخم نسبيًا ، تتكون النوى الذرية من البروتونات والنيوترونات. البروتونات ليست جسيمات أولية ، فهي جسيمات مركبة تتكون من كواركات مرتبطة ببعضها البعض من خلال التفاعل النووي القوي. بشكل جماعي ، تسمى البروتونات والنيوترونات وعدد من الجسيمات المماثلة بالباريونات. نقطة أولية "لبنة بناء" للكيانات الهندسية مثل الأسطح أو المزيد من المساحات العامة. على سبيل المثال ، السطح هو مجموعة من جميع نقاطه ، وجميع المواقع المحتملة على السطح ، ويتم تحديد جميع الكائنات الهندسية في ذلك السطح من خلال النقاط التي تنتمي إليها - على سبيل المثال ، الخط الموجود على السطح هو مجموعة (عدد لانهائي) من النقاط. النسبية (تقدم الحضيض ، النسبية) بالنسبة لمدارات الكواكب ، هناك فرق بسيط بين تنبؤات الجاذبية النيوتونية والنسبية العامة. على سبيل المثال ، في نظرية نيوتن ، فإن المنحنى المداري لكوكب وحيد يدور حول نجم هو قطع ناقص. في النسبية العامة ، هو نوع من منحنى الورد أو الرودونيا. يشبه هذا المنحنى منحنى القطع الناقص ، والذي يتحول قليلاً مع كل مدار إضافي. يمكن تحديد التحول من خلال النظر إلى النقطة الأقرب إلى الشمس (الحضيض الشمسي) في كل مدار. ومن ثم ، يُطلق على التحول النسبي الإضافي اسم تحول الحضيض النسبي أو تقدم الحضيض النسبي. يمكن رؤية صورة على الصفحة "كوكب يضل الطريق" في فصل النسبية العامة لأينشتاين الأولي. معجل الجسيمات من أهم التقنيات التجريبية لفيزياء الجسيمات: تسريع الجسيمات المشحونة كهربائيًا بمساعدة القوى الكهربائية ، وجعلها تتصادم مع بعضها البعض ، ومن نتيجة الاصطدام ، استخلاص استنتاجات حول خصائص الجسيمات الأولية وتفاعلاتها. إنه احتمال مثير للاهتمام ، اقترحته نماذج تستند إلى أفكار نظرية الأوتار ، أن مسرعات الجسيمات مثل LHC قد تنتج ثقوبًا سوداء مصغرة (لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع ، انظر إلى نص الضوء معجلات الجسيمات كمصانع للثقب الأسود؟) المراقب في سياق النسبية ، يمكن أن تعني كلمة "مراقب" شيئين مختلفين. غالبًا ما يكون المراقب مرادفًا للإطار المرجعي أو نظام الإحداثيات (الزمكان): المراقب بهذا المعنى هو الشخص الذي يعين إحداثيات لكل ما يحدث حوله. على وجه الخصوص ، يتم تعيين قيم إحداثيات مساحة وقيمة إحداثي زمني لجميع الأحداث. في سياق النسبية الخاصة ، غالبًا ما يكون الأمر هو أنه عندما يتحدث المرء عن مراقب ، فإن المقصود حقًا هو مراقب بالقصور الذاتي ، يتوافق مع نوع خاص من الإطار المرجعي. في مناسبات أخرى ، يتم استخدام المصطلح بمعنى أضيق - في تلك الحالات ، المراقب هو شخص يجلس في نقطة معينة في الفضاء ويستخدم الإشارات الضوئية التي تصل إلى هذا الموقع لتكوين صورة لمحيطه. في سياق التأثيرات البصرية في النسبية ، على سبيل المثال عدسة الجاذبية ، عادة ما يُقصد بالراصد بهذه الطريقة. طول الانكماش

تأثير نظرية النسبية الخاصة: يقيس المراقب (بشكل أكثر دقة: مراقب بالقصور الذاتي) طولًا أقصر لجسم متحرك مقارنة بنسخة متطابقة من ذلك الكائن يستقر بجانبه (هنا ، يشير الطول إلى الامتداد في اتجاه الحركة - الامتداد في الاتجاهات المتعامدة تبقى كما هي).


هذا هو السبب في أن سرعة الجاذبية يجب أن تساوي سرعة الضوء

إذا توقفت الشمس تلقائيًا عن إصدار الضوء ، فلن نعرف عنها لمدة 8 دقائق و 20 ثانية. الضوء الذي يصل هنا على الأرض ، في هذه اللحظة بالذات ، انبعث من الفوتوسفير للشمس لفترة زمنية محدودة في الماضي ، ولا يُرى الآن إلا بعد رحلة عبر 150 مليون كيلومتر (93 مليون ميل) تفصل بين الشمس من الأرض. إذا كانت الشمس ستظل مظلمة الآن ، فلن نكتشف ذلك حتى يتوقف الضوء عن الوصول.

لكن ماذا عن الجاذبية؟ إذا كانت الشمس قد أزيلت تلقائيًا (بطريقة ما) من الوجود ، فكم من الوقت ستبقى الأرض في مدارها الإهليلجي قبل الطيران في خط مستقيم؟ صدق أو لا تصدق ، يجب أن تكون الإجابة على هذا بالضبط نفس مقدار الوقت الذي كانت عليه للضوء: 8 دقائق و 20 ثانية. سرعة الجاذبية لا تساوي فقط سرعة الضوء إلى درجة دقيقة بشكل لا يصدق من الناحية الملاحظة ، ولكن هذين الثابتين يجب أن يكونا متساويين من الناحية النظرية ، أو النسبية العامة ستنهار. هذا هو العلم وراء السبب.

قبل ظهور النسبية العامة ، كانت أنجح نظرية للجاذبية لدينا هي قانون نيوتن العالمي للجاذبية. وفقًا لنيوتن ، فإن قوة الجاذبية بين أي جسمين في الفضاء محددة بأربعة معايير فقط:

  1. ثابت الجاذبية للكون ، جي، وهو نفس الشيء بالنسبة للجميع.
  2. كتلة الجسم الأول ، مالتي تختبر قوة الجاذبية. (وفقًا لمبدأ التكافؤ لأينشتاين ، هذا هو نفسه م التي تدخل في قوانين الحركة ، مثل F= مأ.)
  3. كتلة الجسم الثاني ، مالذي يجذب الكائن الأول.
  4. المسافة بينهما ، ص، والذي يمتد من مركز كتلة الجسم الأول إلى مركز كتلة الجسم الثاني.

ضع في اعتبارك أن هذه هي المعلمات الأربعة الوحيدة المسموح بها في الجاذبية النيوتونية. يمكنك إجراء جميع أنواع الحسابات من قانون القوة هذا لاشتقاق ، على سبيل المثال ، المدارات الكوكبية الإهليلجية حول الشمس. لكن المعادلات تعمل فقط إذا كانت قوة الجاذبية لحظية.

هذا قد يحيرك قليلا بعد كل شيء ، إذا كانت سرعة الجاذبية تساوي سرعة الضوء فقط ، وليس قوة سريعة بلا حدود ، فيجب أن تنجذب الأرض إلى المكان الذي كانت فيه الشمس قبل 8 دقائق و 20 ثانية ، وليس مكان الشمس الآن ، في هذه اللحظة بالذات. لكن إذا أجريت هذا الحساب بدلاً من ذلك ، وسمحت للأرض بالانجذاب إلى موقع الشمس السابق بدلاً من موقعها الحالي ، فستحصل على توقع لمدارها خاطئ تمامًا لدرجة أن نيوتن نفسه ، مع ملاحظات عالية الجودة تعود إلى أقل من 100 عام (إلى زمن Tycho Brahe) ، كان من الممكن استبعاده.

في الواقع ، إذا استخدمت قوانين نيوتن لحساب مدارات الكواكب وطالبت بمطابقة الملاحظات الحديثة ، فلن تكون سرعة الجاذبية أسرع من سرعة الضوء فحسب ، بل يجب أن تكون على الأقل 20 مليارًا. مرات أسرع: لا يمكن تمييزه عن السرعة اللانهائية.

تكمن المشكلة في هذا: إذا كانت لديك قوة مركزية ، حيث ينجذب جسيم مرتبط مثل (على سبيل المثال) الأرض إلى الشمس ولكنه يتحرك حول الشمس (يدور أو ينتشر) بسرعة محدودة ، فستحصل فقط على درجة حرارة محضة. مدار بيضاوي إذا كانت سرعة انتشار تلك القوة غير محدودة. إذا كانت محدودة ، فلن تحصل فقط على تسارع شعاعي (باتجاه الكتلة الأخرى) ، ولكن ستحصل أيضًا على مكون يسرع الجسيم عرضيًا.

وهذا من شأنه أن يجعل المدارات ليست بيضاوية الشكل فحسب ، بل تجعلها غير مستقرة. على نطاق قرن من الزمان ، ستتحول المدارات بشكل كبير. بحلول عام 1805 ، استخدم لابلاس ملاحظات القمر لإثبات أن سرعة الجاذبية النيوتونية يجب أن تكون أكبر بسبعة ملايين مرة من سرعة الضوء. تبلغ القيود الحديثة الآن 20 مليار ضعف سرعة الضوء ، وهو أمر عظيم بالنسبة لنيوتن. لكن كل هذا وضع عبئًا كبيرًا على آينشتاين.

وفقًا لأينشتاين ، هناك مشكلة كبيرة ، من الناحية المفاهيمية ، في قانون قوة الجاذبية لنيوتن: المسافة بين أي جسمين ليست كمية مطلقة ، بل تعتمد على حركة المراقب. إذا كنت تتحرك باتجاه أي خط وهمي ترسمه أو بعيدًا عنه ، فسوف تتقلص المسافات في هذا الاتجاه ، اعتمادًا على السرعات النسبية الخاصة بك. لكي تكون قوة الجاذبية كمية قابلة للحساب ، يجب على جميع المراقبين استنباط نتائج متسقة ، وهو أمر لا يمكنك الحصول عليه من خلال الجمع بين النسبية وقانون قوة الجاذبية لنيوتن.

لذلك ، وفقًا لأينشتاين ، يجب عليك تطوير نظرية جمعت بين الجاذبية والحركات النسبية معًا ، وهذا يعني تطوير النسبية العامة: نظرية النسبية للحركة التي دمجت الجاذبية فيها. بمجرد اكتمالها ، أخبرت النسبية العامة قصة مختلفة تمامًا.

من أجل جعل المراقبين المختلفين يتفقون على كيفية عمل الجاذبية ، لا يمكن أن يكون هناك شيء مثل الفضاء المطلق أو الوقت المطلق أو الإشارة التي تنتشر بسرعة غير محدودة. بدلاً من ذلك ، يجب أن يكون كل من المكان والزمان نسبيًا لمراقبين مختلفين ، ولا يمكن للإشارات أن تنتشر إلا بسرعات تساوي تمامًا سرعة الضوء (إذا كان الجسيم عديم الكتلة) أو بسرعات أقل من سرعة الضوء (إذا كان الجسيم لديه كتلة).

لكي ينجح هذا ، يجب أن يكون هناك تأثير إضافي لإلغاء مشكلة التسارع المماسي غير الصفري ، والذي تحدثه سرعة الجاذبية المحدودة. هذه الظاهرة ، المعروفة باسم انحراف الجاذبية ، تم إلغاؤها تمامًا تقريبًا من خلال حقيقة أن النسبية العامة لها أيضًا تفاعلات تعتمد على السرعة. عندما تتحرك الأرض عبر الفضاء ، على سبيل المثال ، تشعر أن القوة من الشمس تتغير مع تغيير موقعها ، بنفس الطريقة التي ينزل بها القارب الذي يسافر عبر المحيط في وضع مختلف حيث يتم رفعه وخفضه مرة أخرى بواسطة موجة عابرة.

ما هو رائع ، وليس واضحًا بأي حال من الأحوال ، هو أن هذين التأثيرين يلغيان تمامًا تقريبًا. حقيقة أن سرعة الجاذبية محدودة هي ما يحث على هذا الانحراف الثقالي ، لكن حقيقة أن النسبية العامة (على عكس الجاذبية النيوتونية) لها تفاعلات تعتمد على السرعة هي التي سمحت للجاذبية النيوتونية أن تكون مثل هذا التقريب الجيد. هناك سرعة واحدة فقط تعمل على جعل هذا الإلغاء جيدًا: إذا كانت سرعة الجاذبية تساوي سرعة الضوء.

هذا هو الدافع النظري لسبب تساوي سرعة الجاذبية مع سرعة الضوء. إذا كنت تريد أن تكون مدارات الكواكب متسقة مع ما رأيناه ، وأن تكون متسقة لجميع المراقبين ، فأنت بحاجة إلى سرعة جاذبية تساوي ج، وأن تكون نظريتك ثابتة نسبيًا. ومع ذلك ، هناك تحذير آخر. في النسبية العامة ، يكون الإلغاء بين الانحراف الثقالي والمصطلح المعتمد على السرعة دقيقًا تقريبًا ، ولكن ليس تمامًا. يمكن للنظام الصحيح فقط أن يكشف عن الاختلاف بين تنبؤات أينشتاين ونيوتن.

في منطقتنا ، قوة جاذبية الشمس أضعف بكثير من أن تنتج تأثيرًا يمكن قياسه. ما تريده هو نظام به حقول جاذبية كبيرة على مسافات صغيرة من مصدر هائل ، حيث تكون سرعة الجسم المتحرك سريعة ومتغيرة (متسارعة) بسرعة ، في مجال جاذبية ذي انحدار كبير.

لا تعطينا شمسنا ذلك ، لكن البيئة المحيطة إما بثقب أسود ثنائي أو نجم نيوتروني ثنائي تفعل ذلك! من الناحية المثالية ، فإن نظامًا به جسم ضخم يتحرك بسرعة متغيرة عبر مجال جاذبية متغير سيعرض هذا التأثير. والنظام الثنائي للنجوم النيوترونية ، حيث يكون أحد النجوم النيوترونية هو نجم نابض شديد الدقة ، يناسب القانون تمامًا.

النجم النابض ، وعلى وجه الخصوص ، النجم النابض الملي ثانية ، هو أفضل ساعة طبيعية في الكون. عندما يدور النجم النيوتروني ، فإنه ينبعث منه نفاثة من الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي لديه فرصة للتوافق مع منظور الأرض مرة واحدة كل دوران 360 درجة.إذا كانت المحاذاة صحيحة ، فسنلاحظ وصول هذه النبضات بدقة ودقة غير عادية يمكن التنبؤ بها.

إذا كان النجم النابض في نظام ثنائي ، فإن التحرك خلال مجال الجاذبية المتغير هذا سيؤدي إلى انبعاث موجات الجاذبية ، والتي تحمل الطاقة بعيدًا عن نظام الجاذبية. يجب أن يأتي فقدان تلك الطاقة من مكان ما ، ويتم تعويضه عن طريق اضمحلال مدارات النجم النابض. تنبؤات تحلل النجم النابض حساسة للغاية لسرعة الجاذبية باستخدام أول نظام نابض ثنائي تم اكتشافه من تلقاء نفسه ، PSR 1913 + 16 (أو Hulse-Taylor binary) ، مما سمح لنا بتقييد سرعة الجاذبية لتكون متساوية لسرعة الضوء في حدود 0.2٪ فقط!

منذ ذلك الوقت ، أظهرت قياسات أخرى أيضًا التكافؤ بين سرعة الضوء وسرعة الجاذبية. في عام 2002 ، تسببت مصادفة الصدفة في اصطفاف الأرض والمشتري وكوازار راديو قوي جدًا (يُعرف باسم QSO J0842 + 1835). أثناء مرور كوكب المشتري بين الأرض والكوازار ، تسببت آثار جاذبيته في انحناء ضوء النجم بطريقة تعتمد على سرعة الجاذبية.

فعل المشتري ، في الواقع ، ثني الضوء من الكوازار ، مما مكننا من استبعاد سرعة لا نهائية لسرعة الجاذبية وتحديد أنها كانت في الواقع بين 255 مليون و 381 مليون متر في الثانية ، بما يتوافق مع القيمة الدقيقة لـ سرعة الضوء (299،792،458 م / ث) وأيضًا وفقًا لتوقعات أينشتاين. وفي الآونة الأخيرة ، أدت الملاحظات الأولى لموجات الجاذبية إلى فرض قيود أكثر صرامة.

من أول موجة جاذبية تم اكتشافها والاختلاف في أوقات وصولهم إلى هانفورد ، واشنطن وليفينجستون ، لوس أنجلوس ، علمنا مباشرة أن سرعة الجاذبية تعادل سرعة الضوء في حدود 70٪ تقريبًا ، وهذا ليس تحسنًا عن قيود توقيت النجم النابض. ولكن عندما شهد عام 2017 وصول كل من موجات الجاذبية والضوء من اندماج نجم نيوتروني مع نجم نيوتروني ، علمتنا حقيقة أن إشارات أشعة غاما جاءت بعد 1.7 ثانية فقط من إشارة موجة الجاذبية ، عبر رحلة تزيد عن 100 مليون سنة ضوئية. أن سرعة الضوء وسرعة الجاذبية تختلف بما لا يزيد عن جزء واحد في كوادريليون: 10¹⁵.

طالما أن موجات الجاذبية والفوتونات ليس لها كتلة سكون ، فإن قوانين الفيزياء تملي عليها أن تتحرك بنفس السرعة بالضبط: سرعة الضوء ، التي يجب أن تساوي سرعة الجاذبية. حتى قبل أن تصبح القيود مذهلة ، فإن طلب نظرية الجاذبية أن تعيد إنتاج المدارات النيوتونية بينما تكون ثابتة نسبيًا في نفس الوقت يؤدي إلى هذا الاستنتاج الحتمي. إن سرعة الجاذبية هي بالضبط سرعة الضوء ، وما كانت الفيزياء لتسمح لها بأي طريقة أخرى.


35 تمدد الوقت

يُظهر تحليل التزامن أن افتراضات أينشتاين تتضمن تأثيرًا مهمًا: الفواصل الزمنية لها قيم مختلفة عند قياسها في إطارات بالقصور الذاتي المختلفة. لنفترض ، على سبيل المثال ، أن رائد فضاء يقيس الوقت الذي تستغرقه نبضة من الضوء للسفر لمسافة عمودية على اتجاه حركة سفينته (بالنسبة إلى مراقب الأرض) ، وترتد عن المرآة ، وتعود ((الشكل)). كيف يقارن الوقت المنقضي الذي يقيسه رائد الفضاء في المركبة الفضائية مع الوقت المنقضي الذي يقيسه مراقب الأرض من خلال مراقبة ما يحدث في المركبة الفضائية؟

يؤدي فحص هذا السؤال إلى نتيجة عميقة. يعتمد الوقت المنقضي لعملية ما على المراقب الذي يقيسها. في هذه الحالة ، يكون الوقت الذي يقيسه رائد الفضاء (داخل سفينة الفضاء حيث يكون رائد الفضاء في حالة راحة) أصغر من الوقت الذي يقيسه المراقب الأرضي (الذي يتحرك إليه رائد الفضاء). يختلف الوقت المنقضي لنفس العملية بالنسبة للمراقبين ، لأن المسافة التي تقطعها نبضة الضوء في إطار رائد الفضاء أصغر منها في الإطار الأرضي ، كما هو موضح في (الشكل). ينتقل الضوء بنفس السرعة في كل إطار ، لذلك يستغرق وقتًا أطول للسفر لمسافة أكبر في الإطار الأرضي.

(أ) رائد فضاء يقيس الوقت للضوء لقطع مسافة 2د في إطار رائد الفضاء. (ب) يرى أحد علماء ناسا على الأرض أن الضوء يتبع المسار الأطول 2س وتستغرق وقتًا أطول (ج) تستخدم هذه المثلثات لإيجاد العلاقة بين مسافتين د و س.

تمدد الوقت هو إطالة الفترة الزمنية بين حدثين لمراقب في إطار بالقصور الذاتي يتحرك فيما يتعلق بإطار الأحداث المتبقية (حيث تقع الأحداث في نفس الموقع).

للمقارنة الكمية للقياسات الزمنية في إطاري القصور الذاتي ، يمكننا ربط المسافات في (الشكل) ببعضها البعض ، ثم التعبير عن كل مسافة من حيث وقت السفر (على التوالي إما أو ) للنبض في الإطار المرجعي المقابل. يمكن بعد ذلك حل المعادلة الناتجة من أجل من ناحية

الأطوال د و إل في (الشكل) هي أضلاع مثلث قائم الزاوية مع وتر المثلث س. من نظرية فيثاغورس ،

الأطوال 2س و 2إل هي ، على التوالي ، المسافات التي يقطعها نبض الضوء والمركبة الفضائية في الوقت المناسب في إطار المراقب الأرضي. الطول د هي المسافة التي يقطعها نبضة الضوء في الوقت المناسب في إطار رائد الفضاء. هذا يعطينا ثلاث معادلات:

لاحظ أننا استخدمنا الافتراض الثاني لأينشتاين من خلال أخذ سرعة الضوء ج في كلا الإطارات بالقصور الذاتي. نستبدل هذه النتائج في التعبير السابق من نظرية فيثاغورس:

ثم نعيد الترتيب للحصول على

أخيرًا ، حل من أجل من ناحية يعطينا

أين هو العامل النسبي (غالبًا ما يسمى عامل لورنتز) الذي قدمته

و الخامس و ج هي سرعات المراقب المتحرك والضوء ، على التوالي.

لاحظ عدم التناسق بين القياسين. واحد منهم فقط هو قياس الفاصل الزمني بين حدثين - انبعاث ووصول نبضة الضوء - في نفس الموضع. إنه قياس الفاصل الزمني في الإطار الباقي لساعة واحدة. يتضمن القياس في الإطار الأرضي مقارنة الفاصل الزمني بين حدثين يقعان في مواقع مختلفة. الفاصل الزمني بين الأحداث التي تحدث في مكان واحد له اسم منفصل لتمييزه عن الوقت الذي يقيسه المراقب الأرضي ، ونستخدم الرمز المنفصل للإشارة إليها طوال هذا الفصل.

الفاصل الزمني المناسب بين حدثين هو الفاصل الزمني الذي يقاس من قبل المراقب الذي يقع كلا الحدثين في نفس الموقع.

المعادلة المتعلقة و هو رائع حقا. أولاً ، كما ذكرنا سابقًا ، الوقت المنقضي ليس هو نفسه بالنسبة للمراقبين المختلفين الذين يتحركون بالنسبة لبعضهم البعض ، على الرغم من أن كلاهما في إطارات بالقصور الذاتي. فترة زمنية مناسبة بالنسبة للمراقب الذي ، مثل رائد الفضاء ، يتحرك مع الجهاز ، يكون أصغر من الفاصل الزمني للمراقبين الآخرين. إنه أصغر وقت محسوب ممكن بين حدثين. يرى المراقب الأرضي أن الفواصل الزمنية داخل النظام المتحرك متوسعة (أي مطولة) بالنسبة لكيفية تحرك المراقب بالنسبة إلى الأرض يراها داخل النظام المتحرك. بدلاً من ذلك ، وفقًا للمراقب الأرضي ، يمر وقت أقل بين الأحداث داخل الإطار المتحرك. لاحظ أن أقصر وقت انقضاء بين الأحداث يقع في إطار القصور الذاتي الذي يرى فيه المراقب الأحداث (على سبيل المثال ، انبعاث ووصول الإشارة الضوئية) تحدث في نفس النقطة.

هذا التأثير الزمني حقيقي ولا ينتج عن ساعات غير دقيقة أو قياسات غير صحيحة. تختلف قياسات الفاصل الزمني لنفس الحدث بالنسبة للمراقبين في حركة نسبية. إن تمدد الوقت هو خاصية متأصلة للوقت نفسه. يتم ملاحظة أن جميع الساعات التي تتحرك بالنسبة إلى مراقب ، بما في ذلك الساعات البيولوجية ، مثل ضربات قلب الشخص أو الشيخوخة ، تعمل بشكل أبطأ مقارنة بالساعة الثابتة بالنسبة للمراقب.

لاحظ أنه إذا كانت السرعة النسبية أقل بكثير من سرعة الضوء ومن بعد صغير للغاية ، والأوقات المنقضية و متساوية تقريبا. عند السرعات المنخفضة ، الفيزياء المبنية على النسبية الحديثة تتعامل مع الفيزياء الكلاسيكية - تتضمن التجارب اليومية تأثيرات نسبية صغيرة جدًا. ومع ذلك ، بالنسبة للسرعة القريبة من سرعة الضوء ، قريب من واحد ، لذا صغير جدا و يصبح أكبر بكثير من

نصف عمر Muon

هناك أدلة تجريبية كبيرة على أن المعادلة صحيح. تم العثور على أحد الأمثلة في جسيمات الأشعة الكونية التي تمطر باستمرار على الأرض من الفضاء السحيق. ينتج عن بعض تصادمات هذه الجسيمات مع النوى في الغلاف الجوي العلوي جسيمات قصيرة العمر تسمى الميونات. نصف العمر (مقدار الوقت لنصف المادة حتى تتحلل) للميون هو 1.52 ميكرو ثانية عندما يكون في حالة سكون بالنسبة للمراقب الذي يقيس نصف العمر. هذا هو الفاصل الزمني المناسب يسمح هذا الوقت القصير لعدد قليل جدًا من الميونات بالوصول إلى سطح الأرض واكتشافها إذا كانت افتراضات نيوتن حول الزمان والمكان صحيحة. ومع ذلك ، فإن الميونات التي تنتجها جسيمات الأشعة الكونية لها نطاق من السرعات ، وبعضها يتحرك بالقرب من سرعة الضوء. لقد وجد أن نصف عمر الميون كما تم قياسه بواسطة مراقب أرضي () مع السرعة تمامًا كما تنبأت المعادلة كلما تحرك الميون بشكل أسرع ، زاد عمره. نحن على الأرض نرى الميون يدوم لفترة أطول بكثير مما يتوقعه نصف عمره داخل إطار الراحة الخاص به. كما يُرى من إطارنا ، يتحلل الميون بشكل أبطأ مما يحدث عند السكون بالنسبة لنا. نتيجة لذلك ، يصل جزء أكبر بكثير من الميونات إلى الأرض.

قبل أن نقدم المثال الأول لحل مشكلة في النسبية ، نذكر استراتيجية يمكنك استخدامها كدليل لهذه الحسابات.

  1. قم بعمل قائمة بما يتم تقديمه أو يمكن استنتاجه من المشكلة كما هو مذكور (حدد الأشياء المعروفة). ابحث بشكل خاص عن معلومات حول السرعة النسبية الخامس.
  2. حدد بالضبط ما يجب تحديده في المشكلة (حدد المجهول).
  3. تأكد من أنك تفهم الجوانب المفاهيمية للمشكلة قبل إجراء أي حسابات (عبر عن الإجابة كمعادلة). قرر ، على سبيل المثال ، أي مراقب يرى الوقت متوسعاً أو متقلصاً قبل التعامل مع المعادلات أو استخدامها لتنفيذ الحساب. إذا كنت قد فكرت في من يرى ماذا ، ومن يتحرك مع الحدث الذي يتم ملاحظته ، ومن يرى الوقت المناسب ، وما إلى ذلك ، فستجد أنه من الأسهل كثيرًا تحديد ما إذا كانت حساباتك معقولة.
  4. حدد النوع الأساسي من الحساب المطلوب إجراؤه للعثور على المجهول المحدد أعلاه (قم بالحساب). ستجد ملخص القسم مفيدًا في تحديد ما إذا كان هناك انكماش طول أو طاقة حركية نسبية أو مفهوم آخر.

ملحوظة التي لا يجب تقريبها أثناء الحساب. كما هو مذكور في النص ، يجب عليك في كثير من الأحيان إجراء الحسابات الخاصة بك على العديد من الأرقام لمعرفة التأثير المطلوب. يمكنك التقريب في نهاية حل المشكلة تمامًا ، لكن لا تستخدم رقمًا مقربًا في عملية حسابية لاحقة. تحقق أيضًا من الإجابة لمعرفة ما إذا كانت معقولة: هل هذا منطقي؟ قد يكون هذا أكثر صعوبة بالنسبة للنسبية ، التي لديها عدد قليل من الأمثلة اليومية لتزويد تجربة بما هو معقول. لكن يمكنك البحث عن سرعات أكبر من ج أو التأثيرات النسبية التي تسير في الاتجاه الخاطئ (مثل الانكماش الزمني حيث كان من المتوقع حدوث تمدد).

تمدد الوقت في مركبة عالية السرعة إن مركبة Hypersonic Technology Vehicle 2 (HTV-2) هي مركبة صاروخية تجريبية قادرة على السفر بسرعة 21000 كم / ساعة (5830 م / ث). إذا كانت ساعة إلكترونية في HTV-2 تقيس فاصل زمني مدته 1 ثانية بالضبط ، فماذا يمكن للمراقبين على الأرض قياس الفاصل الزمني؟

الإستراتيجية قم بتطبيق صيغة تمدد الوقت لربط الفاصل الزمني المناسب للإشارة في HTV-2 بالفاصل الزمني المقاس على الأرض.

  1. تحديد ما هو معروف:
  2. تحديد المجهول:
  3. عبر عن الإجابة كمعادلة:

الأهمية لا تزال سرعة HTV-2 العالية جدًا تساوي 10 إلى 5 أضعاف سرعة الضوء. التأثيرات النسبية لـ HTV-2 تكاد لا تذكر لجميع الأغراض تقريبًا ، ولكنها ليست صفرية.

ما هي السرعات النسبية؟ ما مدى السرعة التي يجب أن تتحرك بها السيارة لمدة ثانية واحدة من الوقت المقاسة على ساعة الراكب في السيارة لتختلف بنسبة 1٪ بالنسبة للمراقب الذي يقيسها من الأرض في الخارج؟

الإستراتيجية استخدم صيغة تمدد الوقت للعثور عليها ت / ج لنسبة معينة من المرات.

الدلالة تظهر النتيجة أن الجسم يجب أن يتحرك بنسبة 10٪ تقريبًا من سرعة الضوء لحركته لإنتاج تأثيرات تمدد زمني نسبية كبيرة.

حساب لحدث نسبي لنفترض أن شعاعًا كونيًا اصطدم بنواة في الغلاف الجوي العلوي للأرض ينتج ميونًا بسرعة ينتقل الميون بعد ذلك بسرعة ثابتة ويعيش 2.20 ميكرو ثانية كما تم قياسه في الإطار المرجعي للميون. (يمكنك تخيل هذا على أنه الساعة الداخلية للميون). كم من الوقت يعيش الميون كما تم قياسه بواسطة مراقب أرضي ((الشكل))؟

كما سنناقش لاحقًا ، في الإطار المرجعي للميون ، يقطع مسافة أقصر مما تم قياسه في الإطار المرجعي للأرض.

الإستراتيجية تقيس الساعة التي تتحرك مع الميون الوقت المناسب لعملية اضمحلالها ، وبالتالي فإن الوقت المتاح لنا هو المراقب الأرضي يقيس على النحو المنصوص عليه في المعادلة نظرًا لأن السرعة معطاة ، يمكننا حساب الوقت في الإطار المرجعي للأرض.

  1. تحديد ما هو معروف:
  2. تحديد المجهول:
  3. عبر عن الإجابة كمعادلة. يستخدم:

أهمية أحد الآثار المترتبة على هذا المثال هو ذلك لأن 95.0٪ من سرعة الضوء الآثار النسبية كبيرة. تختلف الفترتان الزمنيتان بمعامل 3.20 ، بينما كلاهما سيكونان متماثلين. شيء يتحرك عند 0.950ج يقال أن تكون نسبية للغاية.

التليفزيون النسبي: شاشة غير مسطحة ، شاشة تليفزيونية قديمة الطراز ((الشكل)) تعمل عن طريق تسريع الإلكترونات على مسافة قصيرة إلى السرعة النسبية ، ثم استخدام المجالات الكهرومغناطيسية للتحكم في المكان الذي يضرب فيه شعاع الإلكترون طبقة الفلورسنت في مقدمة السطح. الة النفخ. افترض أن الإلكترونات تسافر عند من خلال مسافة من بداية الشعاع إلى الشاشة. (أ) ما هو وقت انتقال الإلكترون في الإطار المتبقي بجهاز التلفزيون؟ (ب) ما هو وقت سفر الإلكترون في إطار الراحة الخاص به؟

استراتيجية لـ (أ) (أ) احسب الوقت من على الرغم من أن السرعة نسبية ، إلا أن الحساب يتم بالكامل في إطار مرجعي واحد ، وبالتالي فإن النسبية غير متضمنة.

أهمية وقت السفر قصير للغاية ، كما هو متوقع. نظرًا لأن الحساب بالكامل ضمن إطار مرجعي واحد ، فإن النسبية غير متضمنة ، على الرغم من أن سرعة الإلكترون قريبة من ج.

إستراتيجية (ب) (ب) في الإطار المرجعي للإلكترون ، يتحرك الأنبوب المفرغ ويكون الإلكترون ثابتًا. يترك الكاثود الباعث للإلكترون الإلكترون ويضرب الجزء الأمامي من الأنبوب المفرغ الإلكترون بالإلكترون في نفس الموقع. لذلك نستخدم معادلة تمدد الوقت لربط الوقت المناسب في إطار راحة الإلكترون بالوقت في إطار التلفزيون.

    حدد ما هو معروف (من الجزء أ):

أهمية وقت السفر أقصر في الإطار المرجعي للإلكترون. نظرًا لأن المشكلة تتطلب إيجاد الفاصل الزمني المقاس في أطر مرجعية مختلفة لنفس العملية ، فإن النسبية متضمنة. إذا حاولنا حساب الوقت في إطار سكون الإلكترون بقسمة 0.200 م على السرعة ، فستكون النتيجة غير صحيحة بعض الشيء بسبب السرعة النسبية للإلكترون.

تأكد من فهمك ما هو إذا

مفارقة التوأم

من النتائج المثيرة للاهتمام لتمدد الوقت أن مسافر الفضاء الذي يتحرك بسرعة عالية بالنسبة إلى الأرض سوف يتقدم في العمر أقل من توأم رائد الفضاء الموجود على الأرض. يُعرف هذا غالبًا باسم التناقض التوأم. تخيل أن رائد الفضاء يتحرك بهذه السرعة مثل (الشكل). تستغرق الرحلة التي تستغرق عامين في إطارها 60.0 عامًا في إطار التوأم الملتصق بالأرض. لنفترض أن رائد الفضاء سافر لمدة سنة واحدة إلى نظام نجمي آخر ، واستكشف المنطقة لفترة وجيزة ، ثم سافر مرة واحدة إلى الوراء. سيكون رائد الفضاء الذي كان يبلغ من العمر 40 عامًا في بداية الرحلة 42 عامًا عندما تعود سفينة الفضاء. ومع ذلك ، فإن كل شيء على الأرض سيكون عمره 60.0 عامًا. إذا كان التوأم لا يزال على قيد الحياة ، فسيكون عمره 100 عام.

قد يبدو الوضع مختلفًا بالنسبة لرائد الفضاء في (الشكل). نظرًا لأن الحركة نسبية ، ستبدو سفينة الفضاء ثابتة ويبدو أن الأرض تتحرك. (هذا هو الإحساس الذي تشعر به عند الطيران في طائرة نفاثة.) عند النظر من نافذة سفينة الفضاء ، يرى رائد الفضاء أن الوقت يتباطأ على الأرض بعامل من من خلال مركبة الفضاء ، سيكون عمر الأخ والأخ على الأرض فقط 2/30 ، أو 0.07 ، من السنة ، في حين أن رائد الفضاء سيكون عمره 2.00 سنة.

التناقض هنا هو أن التوأم لا يمكن أن يكون كلاهما صحيحًا. كما هو الحال مع جميع المفارقات ، تأتي الاستنتاجات المتضاربة من فرضية خاطئة. في الواقع ، تختلف حركة رائد الفضاء اختلافًا كبيرًا عن حركة التوأم الملتصق بالأرض. يتسارع رائد الفضاء إلى سرعة عالية ثم يتباطأ لرؤية النظام النجمي. للعودة إلى الأرض ، تتسارع وتتباطأ مرة أخرى. المركبة الفضائية ليست في إطار واحد بالقصور الذاتي يمكن تطبيق صيغة تمدد الوقت عليه مباشرة. وهذا يعني أن توأم رائد الفضاء يغير مراجع القصور الذاتي. لا يواجه التوأم المترابط على الأرض هذه التسارع ويبقى في نفس الإطار بالقصور الذاتي. وبالتالي ، فإن الوضع ليس متماثلًا ، ومن الخطأ الادعاء بأن رائدة الفضاء تلاحظ نفس تأثيرات توأمها. سيظل الافتقار إلى التناظر بين التوائم أكثر وضوحًا عندما نحلل الرحلة لاحقًا في هذا الفصل من حيث المسار الذي يتبعه رائد الفضاء خلال الزمكان رباعي الأبعاد.

في عام 1971 ، تحقق الفيزيائيان الأمريكيان جوزيف هافيل وريتشارد كيتنغ من تمدد الوقت بسرعات نسبية منخفضة من خلال تحليق ساعات ذرية دقيقة للغاية حول العالم على متن طائرات تجارية. قاموا بقياس الوقت المنقضي بدقة تصل إلى بضع نانو ثانية وقارنوه بالوقت الذي تم قياسه بالساعات المتبقية. كانت نتائج هافيل وكيتنج ضمن أوجه عدم اليقين التجريبية لتنبؤات النسبية. يجب أن تؤخذ كل من النسبية الخاصة والعامة في الاعتبار ، لأن الجاذبية والتسارع كانا متورطين بالإضافة إلى الحركة النسبية.

تأكد من فهمك أ. جسيم يسافر في ويعيش عندما تكون في حالة راحة بالنسبة للمراقب. كم من الوقت يعيش الجسيم كما شوهد في المختبر؟

أ.

ب. مركبة فضائية أ و ب تمر في اتجاهين متعاكسين بسرعة نسبية تبلغ ساعة داخلية في المركبة الفضائية أ يتسبب في إرساله إشارة لاسلكية لمدة 1.00 ثانية. الكمبيوتر في المركبة الفضائية ب لتصحيح بداية ونهاية الإشارة التي قطعت مسافات مختلفة ، لحساب الفاصل الزمني للسفينة خلالها أ كان ينبعث منها الإشارة.ما الفاصل الزمني الذي يستغرقه الكمبيوتر في المركبة الفضائية ب يحسب؟

ب. فقط السرعة النسبية للمركبتين الفضائيتين هي المهمة لأنه لا توجد حركة مطلقة عبر الفضاء. تنبعث الإشارة من موقع ثابت في الإطار المرجعي لـ أ، وبالتالي فإن الفترة الزمنية المناسبة لانبعاثها هي مدة الإشارة المقاسة من الإطار المرجعي ب ثم

ملخص

  • يتم تعريف حدثين على أنهما متزامنان إذا قام أحد المراقبين بقياسهما على أنهما يحدثان في نفس الوقت. فهي ليست بالضرورة متزامنة مع جميع المراقبين - فالتزامن ليس مطلقًا.
  • تمدد الوقت هو إطالة الفاصل الزمني بين حدثين عند رؤيته في إطار بالقصور الذاتي المتحرك بدلاً من إطار بقية الأحداث (حيث تقع الأحداث في نفس الموقع).
  • المراقبون يتحركون بسرعة نسبية الخامس لا تقيس نفس الوقت المنقضي بين حدثين. الوقت المناسب هو الوقت الذي يقاس في الإطار المرجعي حيث تحدث بداية ونهاية الفاصل الزمني في نفس الموقع. الفاصل الزمني يقاس بمراقب يرى إطار الأحداث يتحرك بسرعة الخامس يرتبط بالفاصل الزمني المناسب للأحداث بالمعادلة:

أسئلة مفاهيمية

(أ) هل تؤثر الحركة على معدل الساعة كما تم قياسه بواسطة مراقب يتحرك معها؟ (ب) هل تؤثر الحركة على كيفية قيام مراقب يتحرك بالنسبة إلى الساعة بقياس معدله؟

لمن يبدو الوقت المنقضي لعملية ما أطول ، المراقب يتحرك بالنسبة للعملية أو المراقب يتحرك مع العملية؟ أي مراقب يقيس الفترة الزمنية المناسبة؟

يرى المراقب الذي يتحرك مع العملية فاصلها الزمني المناسب ، وهو أقصر وقت يراه أي مراقب.

(أ) كيف يمكنك السفر بعيدًا في مستقبل الأرض دون أن تتقدم في العمر بشكل ملحوظ؟ (ب) هل يمكن أن تسمح لك هذه الطريقة أيضًا بالسفر إلى الماضي؟

مشاكل

(أ) ما هو إذا (ب) إذا

(أ) ما هو إذا (ب) إذا

دعا الجسيمات - يتم إنتاج المسونات بواسطة أشعة التسريع. إذا كانت هذه الجسيمات تنتقل في وعلى قيد الحياة عندما يكونون في حالة راحة بالنسبة للمراقب ، ما هي المدة التي يعيشون فيها كما هو موضح في المختبر؟

لنفترض أن جسيمًا يسمى كاون يتكون من إشعاع كوني يضرب الغلاف الجوي. يتحرك بواسطتك في وهي تعيش عندما تكون في حالة راحة بالنسبة للمراقب. ما هي المدة التي تعيشها كما تراقبها؟

محايد -ميسون هو جسيم يمكن تكوينه بواسطة أشعة التسريع. إذا كان أحد هذه الجسيمات يعيش كما تم قياسه في المختبر ، و عندما يكون في حالة سكون بالنسبة للمراقب ، ما هي سرعته بالنسبة إلى المختبر؟

النيوترون يعيش 900 ثانية عندما يكون في حالة سكون بالنسبة للمراقب. ما هي السرعة التي يتحرك بها النيوترون بالنسبة إلى الراصد الذي يقيس العمر الافتراضي له ليكون 2065 ثانية؟

إذا كانت التأثيرات النسبية أقل من 1٪ ، إذن يجب أن يكون أقل من 1.01. ما هي السرعة النسبية

إذا كانت التأثيرات النسبية أقل من 3٪ ، إذن يجب أن يكون أقل من 1.03. ما هي السرعة النسبية

قائمة المصطلحات

الوقت المناسب هي الفترة الزمنية التي يقاسها أحد المراقبين الذي يرى بداية ونهاية العملية التي تحدث فيها مقاييس الفاصل الزمني في نفس الموقع ، وإطالة وقت التمدد للفاصل الزمني بين حدثين عند رؤيته في إطار بالقصور الذاتي المتحرك بدلاً من الإطار الباقي لـ الأحداث (التي تقع فيها الأحداث في نفس الموقع)

كيف تعمل الجاذبية؟

في كل مرة تقفز ، تواجه الجاذبية. يسحبك إلى الأرض مرة أخرى. بدون الجاذبية ، ستطفو في الغلاف الجوي - جنبًا إلى جنب مع كل المواد الأخرى على الأرض.

ترى الجاذبية في العمل في أي وقت تسقط فيه كتابًا أو تخطو على ميزان أو تقذف كرة في الهواء. إنه وجود دائم في حياتنا ، ونادرًا ما نتعجب من سره - ولكن حتى مع وجود العديد من النظريات المقبولة جيدًا والتي تحاول شرح سبب سقوط الكتاب على الأرض (وبنفس معدل سقوط حصاة أو أريكة ، في ذلك) ، ما زالوا مجرد نظريات. إن لغز سحب الجاذبية سليم إلى حد كبير.

إذن ماذا نعرف عن الجاذبية؟ نحن نعلم أنه يتسبب في جذب أي جسمين في الكون إلى بعضهما البعض. نحن نعلم أن الجاذبية ساعدت في تكوين الكون ، وأنها تبقي القمر في مدار حول الأرض ، ويمكن تسخيرها لمزيد من التطبيقات العادية مثل المحركات التي تعمل بالجاذبية أو المصابيح التي تعمل بالجاذبية.

أما بالنسبة للعلم وراء هذا الإجراء ، فنحن نعلم أن إسحاق نيوتن عرّف الجاذبية على أنها قوة - قوة تجذب كل الأشياء إلى كل الأشياء الأخرى. نحن نعلم أن ألبرت أينشتاين قال إن الجاذبية هي نتيجة لانحناء الزمكان. هاتان النظريتان هما الأكثر شيوعًا والأكثر انتشارًا (إذا كان غير مكتمل إلى حد ما) تفسيرات الجاذبية.

في هذه المقالة ، سنلقي نظرة على نظرية الجاذبية لنيوتن ، نظرية الجاذبية لأينشتاين وسنتطرق إلى نظرة أحدث للظاهرة أيضًا.

على الرغم من أن العديد من الأشخاص قد لاحظوا بالفعل وجود الجاذبية ، إلا أن نيوتن كان أول من طور تفسيرًا متماسكًا للجاذبية ، لذلك سنبدأ من هناك.

في القرن السابع عشر ، كان عالم فيزياء ورياضيات إنكليزي يُدعى إسحاق نيوتن جالسًا تحت شجرة تفاح - أو هكذا تخبرنا الأسطورة. على ما يبدو ، سقطت تفاحة على رأسه ، وبدأ يتساءل لماذا انجذبت التفاحة إلى الأرض في المقام الأول.

نشر نيوتن نظريته في الجاذبية العالمية في ثمانينيات القرن السادس عشر. لقد حددت بشكل أساسي فكرة أن الجاذبية كانت قوة يمكن التنبؤ بها تؤثر على كل مادة في الكون ، وهي دالة لكل من الكتلة والمسافة. تنص النظرية على أن كل جسيم من المادة يجذب كل جسيم آخر (على سبيل المثال ، جسيمات & quotEarth & quot وجسيمات & quotyou & quot) بقوة تتناسب طرديًا مع ناتج كتلها وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما .

لذلك كلما كانت الجسيمات بعيدة و / أو أقل كتلة ، قلت قوة الجاذبية.

الصيغة القياسية لقانون الجاذبية هي [المصدر: UT]:

قوة الجاذبية = (G * m1 * m2) / (d2)

قوة الجاذبية = (G * m1 * m2) / (د 2 )

أين جي هو ثابت الجاذبية ، م 1 و م 2 هي كتل الجسمين اللذين تحسب قوتهما ، و د هي المسافة بين مركزي جاذبية الكتلتين.

G له قيمة 6.67 × 10E-8 dyne * cm 2 / gm 2. لذا ، إذا وضعت جسمين كل منهما 1 جرام بعيدًا عن بعضهما بمقدار 1 سنتيمتر ، فسوف يجذب كل منهما الآخر بقوة 6.67 x 10E-8 dyne. أ داين يساوي حوالي 0.001 جرام من الوزن ، مما يعني أنه إذا كان لديك دين قوة متاح ، فيمكنه رفع 0.001 جرام في مجال الجاذبية الأرضية. لذا فإن 6.67 × 10E-8 dyne هي قوة صغيرة.

عندما تتعامل مع أجسام ضخمة مثل الأرض ، والتي تبلغ كتلتها 6E + 24 كيلوجرامًا (انظر كم يزن كوكب الأرض؟) ، فإنه يضيف إلى قوة جاذبية قوية إلى حد ما. لهذا السبب أنت لا تطفو في الفضاء الآن.

إن قوة الجاذبية التي تؤثر على جسم ما هي أيضًا وزن ذلك الجسم. عندما تخطو على الميزان ، يقرأ المقياس مقدار تأثير الجاذبية على جسمك. صيغة تحديد الوزن هي [المصدر: كورتوس]:

أين م هي كتلة الجسم ، و ز هي عجلة الجاذبية. التسارع بسبب الجاذبية على الأرض هو 9.8 م / ث² - لا يتغير أبدًا ، بغض النظر عن كتلة الجسم. لهذا السبب إذا أسقطت حصاة وكتابًا وأريكة من سطح ، فإنهم سيصطدمون بالأرض في نفس الوقت.

لمئات السنين ، وقفت نظرية الجاذبية لنيوتن إلى حد كبير وحيدة في المجتمع العلمي. تغير ذلك في أوائل القرن العشرين.


التسارع والسرعة

ينص قانون نيوتن الثاني على أنه عندما تؤثر قوة ثابتة على جسم ضخم ، فإنها تجعله يتسارع ، أي تغيير سرعته ، بمعدل ثابت. في أبسط الحالات ، تؤدي القوة المطبقة على جسم في حالة السكون إلى تسارعه في اتجاه القوة. ومع ذلك ، إذا كان الكائن متحركًا بالفعل ، أو إذا تم عرض هذا الموقف من إطار مرجعي متحرك بالقصور الذاتي ، فقد يبدو أن هذا الجسم يسرع أو يبطئ أو يغير اتجاهه اعتمادًا على اتجاه القوة والاتجاهات التي يتخذها الكائن والإطار المرجعي يتحركان بالنسبة لبعضهما البعض.

الحروف الغامقة F و أ في المعادلة تشير إلى أن القوة والتسارع المتجه الكميات ، مما يعني أن لها المقدار والاتجاه. يمكن أن تكون القوة قوة واحدة أو يمكن أن تكون مزيجًا من أكثر من قوة واحدة. في هذه الحالة ، نكتب المعادلة كـ & sumF = مأ

يمثل الحرف الكبير & سيجما (الحرف اليوناني سيجما) ملف ما تها التامة من جميع القوى ، أو القوة الكلية ، التي تعمل على الجسم.

من الصعب إلى حد ما تخيل تطبيق قوة ثابتة على الجسم لفترة زمنية غير محددة. في معظم الحالات ، لا يمكن تطبيق القوات إلا لفترة محدودة ، مما ينتج عنه ما يسمى دفعة. بالنسبة لجسم ضخم يتحرك في إطار مرجعي بالقصور الذاتي دون أي قوى أخرى مثل الاحتكاك ، فإن نبضة معينة ستسبب تغيرًا معينًا في سرعته. قد يسرع الجسم أو يبطئ أو يغير اتجاهه ، وبعد ذلك سيستمر الجسم في التحرك بسرعة ثابتة جديدة (ما لم يتسبب الدافع بالطبع في توقف الجسم).

ومع ذلك ، هناك حالة واحدة نواجه فيها قوة ثابتة و [مدش] القوة بسبب تسارع الجاذبية ، مما يتسبب في قيام الأجسام الضخمة بممارسة قوة هبوط على الأرض. في هذه الحالة ، يتم كتابة التسارع الثابت الناتج عن الجاذبية على شكل ز، ويصبح قانون نيوتن الثاني F = ملغ. لاحظ أنه في هذه الحالة ، F و ز لم يتم كتابتها بشكل تقليدي كمتجهات ، لأنها تشير دائمًا في نفس الاتجاه ، إلى أسفل.

حاصل ضرب الكتلة مضروبة في تسارع الجاذبية ، ملغ، معروف ب وزن، وهو نوع آخر من القوة. بدون الجاذبية ، لا يوجد وزن لجسم ضخم ، وبدون جسم ضخم ، لا يمكن للجاذبية إنتاج قوة. من أجل التغلب على الجاذبية ورفع جسم ضخم ، يجب أن تنتج قوة صاعدة مأ هذا أكبر من قوة الجاذبية لأسفل ملغ.


5 إجابات 5

تم التحديث 07.11.2007

يمكننا اختيار النموذج لمناقشة المشكلة ، لذلك دعونا نختار:

نموذج: ميكانيكا نيوتن / الجاذبية النيوتونية ، مع امتلاء الكون بمادة كثيفة بشكل موحد ، يتفاعل الجاذبية فقط (في علم الكونيات يسمى هذا "مادة الغبار") ، وفي الوقت الأولي لرحلة سفينة الفضاء لدينا كل هذه المادة في حالة سكون.

ومن ثم يجب أن تبدأ سفينة الفضاء الخاصة بي في التسارع نحو × باختيار الكرة الكبيرة بما يكفي ، يجب أن أكون قادرًا على جعلها تتسارع بشكل تعسفي بسرعة ، وباختيار موقع × يمكنني جعلها تتسارع في أي اتجاه.

طبعا هذا لا يعمل ولكن لماذا ؟.

انها تقوم بالعمل. إذا افترضنا أن سفينة الفضاء كانت في البداية في حالة سكون مع الكون كله ، فسوف تصل إلى النقطة × في الوقت اللازم لسقوط السفينة في نقطة كتلة تساوي كتلة الكرة الوردية.

تكمن المشكلة في أنه بحلول ذلك الوقت ، تقع كل الكرة الوردية أيضًا في اتجاه نفس النقطة أيضًا ، كما تفعل جميع المجالات الملونة الأخرى وبقية الكون أيضًا. إذا كانت رائدة الفضاء لدينا تتحقق من المسافة إلى النقطة × قبل أن تسقط سفينة الفضاء فيها ، ستلاحظ أن هذه المسافة قد انخفضت ، ولكن في نفس الوقت تتحقق من محيطها ، ستلاحظ أن سفينة الفضاء محاطة بالضبط بنفس جزيئات المادة التي عندما بدأت الرحلة فقط كانوا أقرب إلى بعضهم البعض وإلى سفينة الفضاء. هذا الانكماش في المسافة هو ببساطة نسخة نيوتونية من حدث Big Crunch.

إذا كان الكون مليئًا بالمادة التي تتفاعل مع الجاذبية فقط ونفترض أن كثافة المادة ستبقى موحدة في جميع أنحاء الكون ، فإن الاستنتاج الوحيد هو أن هذا الكون ليس ثابتًا. لديها إما (النسخة النيوتونية) Big Bang في ماضيها أو Big Crunch في مستقبلها (أو في نموذجنا ، نظرًا لأننا اخترنا اللحظة الأولية كنقطة تحول من التوسع إلى الانكماش ، فلديها كليهما).

قد يبدو أن سقوط الكون كله نحو النقطة التي اخترناها × أمر سخيف ، لأننا اخترنا هذه النقطة بشكل تعسفي. ولكن في هذه الحالة هناك لا التناقض ، فإن تسارع كل المواد نحو هذه النقطة يرجع إلى حقيقة أنه لا يوجد في إعدادنا "مساحة مطلقة" ، ولا توجد مجموعة من في الخارج مراقبين بالقصور الذاتي يمكن أن يعطينا التسارع المطلق، بدلاً من ذلك يمكننا فقط اختيار نقطة مرجعية × (أو بالأحرى تحديد مراقب موجود في هذه النقطة وفي حالة راحة فيما يتعلق بالمادة المحيطة) وحساب تسارع نسبي تجاه هذه النقطة.

تذكر أن المبدأ الأول لميكانيكا نيوتن ينص على ذلك يستمر كل جسيم في حالة السكون أو الحركة المنتظمة في خط مستقيم ما لم يتم التأثير عليه بواسطة قوة خارجية. بالنسبة لنظام معزول ، على سبيل المثال مجموعة من الأجسام الجاذبة ذات الكتلة الكلية المحدودة ، يمكننا (على الأقل من حيث المبدأ) وضع المراقب في حالة سكون بعيدًا بحيث يمكن اعتباره كائنًا بالقصور الذاتي. سيتيح لنا ذلك تحديد إطار مرجعي يمكننا من خلاله قياس التسارع. لكن في علم الكونيات النيوتوني ، تملأ المادة الكون كله ، ولا يوجد مراقب لا تعمل الجاذبية عليه ، لذلك لا توجد مجموعة من الأطر المرجعية التي يحددها المراقبون "في اللانهاية" فقط المراقبون داخل تركيزات المادة التي تتأثر بالجاذبية. القوات.

بينما لا توجد تسارعات مطلقة ، فإن المواضع النسبية ($ mathbf_(ر) = mathbf_A (ر) - mathbf_B (t) $ بين العناصر $ A $ و $ B $ مع مسألة الكون) لها معنى مستقل عن اختيار النقطة المرجعية. هذه المواضع النسبية ، السرعات النسبية ($ dot < mathbf>_$) ، والتسارع النسبي ، وما إلى ذلك ، تشكل مجموعة من الكميات المحددة بشكل لا لبس فيه والقابلة للقياس داخل كوننا.

ثم يخبرني حدسي أنه يمكنني اختيار كون ثابت بدرجة كافية.

هذا الحدس خاطئ ، إذا كانت هناك قوة جاذبية من شأنها أن تسرع المركبة الفضائية الخاصة بك نحو × ، فستعمل أيضًا على مادة قريبة (تسمى جزيئات الغبار أو الكواكب أو النجوم) تنتج نفس التسارع ، لذا فإن الكون كله سوف تتراجع نحو ×.

ملاحظة على علم الكونيات النيوتونية قد يبدو أن نظرية الجاذبية النيوتونية غير مناسبة للتعامل مع التوزيعات المتجانسة المكاني اللانهائي للمادة. لكن يمكن للمرء محاولة فصل فيزياء الموقف عن أوجه القصور في شكلية معينة وربما التغلب عليها. كدافع يمكننا أن نلاحظ أنه على مسافات كونية كبيرة يمكن اعتبار كوننا بدرجة عالية من الدقة مسطحًا مكانيًا ، وسرعات معظم الأجسام الضخمة بالنسبة لبعضها البعض وإطار CMB صغيرة جدًا مقارنة بالسرعة من الضوء ، مما يعني أن التقريب النيوتوني قد يكون مناسبًا. بينما نعلم أن النسبية العامة توفر وصفًا أفضل للجاذبية ، فإن الجاذبية النيوتونية أبسط بكثير من الناحية الحسابية والمفاهيمية. يبدو أن هذا يشير إلى أنه من المفيد "إصلاح" أي مشاكل يواجهها المرء أثناء محاولة إضفاء الطابع الرسمي على الحلول الكونية للجاذبية النيوتونية.

النهج الأكثر طبيعية هو "هندسة" الجاذبية النيوتونية وبدلاً من "القوة" اعتبرها جزءًا من الهندسة ، والاتصال الديناميكي الذي يمثل الجاذبية والقصور الذاتي. يتم ذلك في إطار نظرية نيوتن-كارتان.

كمرجع أكثر تفصيلاً ، مع التركيز على علم الكونيات ، انظر هذه الورقة (مطلوب معرفة النسبية العامة):

تؤكد نظرية نيوتن-كارتان على أوجه التشابه المفاهيمية بين الجاذبية النيوتونية والنسبية العامة ، حيث حلت مجموعة جاليلي محل مجموعة لورنتز من GR. النهج العام خالٍ من التنسيق ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بآلية النسبية العامة ، ولكن اختيارًا محددًا لإحداثيات جاليلي المحلية سينتج المعادلات المعتادة للتسريع ($ mathop < mathrm

> mathbf = - 4 pi rho $) ، حيث أصبح تسارع الجاذبية الآن جزءًا من الاتصال النيوتوني. الحلول الكونية المتجانسة والخواص هي مصاعد مباشرة لعلم الكونيات FLRW.

في حين أن المعادلات هي نفسها ، فقد نجيب بالفعل على بعض الأسئلة المفاهيمية.

نظرًا لأن تسارع الجاذبية هو جزء من الاتصال ، فلا يوجد سبب لتوقع أن يكون كائنًا "مطلقًا" ، سيكون هناك تحولات قياس من شأنها تغييره. يمكن أن يكون لدينا مخططات متعددة نحدد عليها الفيزياء مع خرائط الانتقال المحددة بشكل طبيعي فيما بينها.

يمكننا الحصول على ملف مغلق FRW cosmology ، "الفضاء" لا يجب أن يكون فضاء إقليدي ، يمكن أن يكون torus $ T_3 $ (تتطلب معادلات المجال أن يكون الفضاء مسطحًا محليًا). نظرًا لأن الحجم المكاني للكون المغلق يختلف ، ويميل إلى الصفر مع اقتراب الكون من الأزمة الكبرى ، فإن هذا يؤكد أنه ليس فقط المادة ولكن الفضاء نفسه ينهار أثناء الأزمة الكبيرة (للإجابة على أحد التعليقات).

من السهل جدًا تضمين الثابت الكوني / الطاقة المظلمة مما يجعل النماذج أكثر واقعية.

ملاحظة على إجابة user105620: إذا قمنا بصياغة إجراء تسوية عن طريق إدخال وظيفة النافذة $ W ( epsilon، x_0) $ التي من شأنها أن تجعل السلوك المحتمل جيدًا. هذا يوفر لنا طريقة أخرى "لإصلاح" مشاكل نموذجنا الكوني. إن تسارع سفينة الفضاء الخاصة بنا المحسوبة بهذا التنظيم يعتمد بالفعل على اختيار $ x_0 $ في الحد $ epsilon إلى 0 $ ، وهو نتيجة نفس الحرية في اختيار النقطة المرجعية ×. لكن لا يجب أن يتوقف عند هذا الحد. الاختلافات التي تتطلب استخدام المنظمين وأوجه الغموض المتبقية بعد التنظيم هي سمات طبيعية تمامًا في تطوير النماذج المادية. ستكون الخطوة التالية هي تحديد الكميات ذات المغزى المادي والتحقق من أن تلك الكميات مستقلة عن القطع التنظيمية. في حالتنا لا يوجد احتمال $ Phi $ ولا تسارع الجاذبية $ mathbfيمكن ملاحظة $ بشكل مباشر في هذا النموذج. المواضع النسبية والسرعات النسبية والتسارع النسبي يمكن ملاحظتها وتتحول لتكون مستقلة عن معلمة المنظم $ x_0 $.


الطاقة المظلمة: أكبر لغز في الكون

مرتان في اليوم ، سبعة أيام في الأسبوع ، من فبراير إلى نوفمبر على مدى السنوات الأربع الماضية ، قام باحثان بوضع طبقات من الملابس الداخلية الحرارية والملابس الخارجية ، مع الصوف ، والفانيلا ، والقفازات المزدوجة ، والجوارب المزدوجة ، وزرة مبطن ، وسترات حمراء منتفخة ، وتحنيط أنفسهم حتى يبدون وكأنهم توأم ميشلان مين. ثم يخرجون للخارج ، ويتبادلون الدفء ووسائل الراحة الحديثة لمحطة العلوم (كرة القدم ، ومركز اللياقة البدنية ، والكافتيريا التي تعمل على مدار 24 ساعة) من أجل منظر طبيعي خالٍ من الملامح تبلغ درجة حرارته 100 درجة فهرنهايت ، وهو أكثر انبساطًا من كانساس وواحدًا من أبرد الأماكن على هذا الكوكب.يمشون في الظلام لمسافة ميل تقريبًا ، عبر هضبة من الثلج والجليد ، حتى يميزوا ، على خلفية عدد أكبر من النجوم أكثر مما شاهده أي مراقب في الفناء الخلفي ، صورة ظلية للقرص العملاق لتلسكوب القطب الجنوبي ، حيث ينضمون إلى جهد عالمي لحل ربما يكون أعظم لغز في الكون: مما يتكون معظمه.

المحتوى ذو الصلة

منذ آلاف السنين ، درس جنسنا البشري سماء الليل وتساءل عما إذا كان هناك أي شيء آخر هناك. احتفلنا العام الماضي بمرور 400 عام على إجابة جاليليو & # 8217: نعم. قام جاليليو بتدريب أداة جديدة ، التلسكوب ، على السماء ورأى أشياء لم يرها أي شخص آخر: مئات النجوم ، والجبال على القمر ، والأقمار الصناعية لكوكب المشتري. منذ ذلك الحين وجدنا أكثر من 400 كوكب حول نجوم أخرى ، 100 مليار نجم في مجرتنا ، مئات المليارات من المجرات خارج مجرتنا ، حتى الإشعاع الخافت الذي يمثل صدى الانفجار العظيم.

يعتقد العلماء الآن أنه حتى هذا الإحصاء الباهظ للكون قد يكون قديمًا مثل كون الكواكب الخمسة الذي ورثه جاليليو عن القدماء. جمع علماء الفلك أدلة على أن ما كنا نعتقده دائمًا هو الكون الفعلي & # 8212me ، أنت ، هذه المجلة ، الكواكب ، النجوم ، المجرات ، كل المواد الموجودة في الفضاء & # 8212 تمثل 4 في المائة فقط مما هو موجود بالفعل هناك. والباقي يسمونه ، لعدم وجود كلمة أفضل ، مظلم: 23 بالمائة شيء يسمونه المادة المظلمة ، و 73 بالمائة شيء أكثر غموضًا ، والذي يسمونه الطاقة المظلمة.

& # 8220 لدينا جرد كامل للكون ، & # 8221 قال شون كارول ، عالم الكونيات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، & # 8220 ولا معنى له. & # 8221

لدى العلماء بعض الأفكار حول ماهية المادة المظلمة & # 8212 الجسيمات الغريبة والتي لا تزال افتراضية & # 8212 ولكن ليس لديهم أدنى فكرة عن الطاقة المظلمة. في عام 2003 ، أدرج المجلس القومي للبحوث & # 8220 ما هي طبيعة الطاقة المظلمة؟ & # 8221 كواحدة من أكثر المشاكل العلمية إلحاحًا في العقود القادمة. يذهب رئيس اللجنة التي كتبت التقرير ، عالم الكونيات بجامعة شيكاغو مايكل إس. تيرنر ، إلى أبعد من ذلك ويصنف الطاقة المظلمة على أنها & # 8220 اللغز الأكثر عمقًا في جميع العلوم. & # 8221

لقد حشدت الجهود المبذولة لحلها جيلًا من علماء الفلك لإعادة التفكير في الفيزياء وعلم الكونيات لمنافسة وربما تجاوز الثورة التي افتتحها جاليليو في أمسية خريفية في بادوفا. إنهم يتصالحون مع مفارقة عميقة: إن البصر نفسه هو الذي أعمانا عن الكون بأسره تقريبًا. وقد ألهمنا التعرف على هذا العمى ، بدوره ، أن نسأل ، كما لو كان لأول مرة: ما هذا الكون الذي نسميه الوطن؟

توصل العلماء إلى إجماع في سبعينيات القرن الماضي على أن الكون كان أكثر مما تراه العين. في المحاكاة الحاسوبية لمجرتنا ، درب التبانة ، وجد المنظرون أن المركز لن يحمل & # 8212 استنادًا إلى ما يمكننا رؤيته ، فمجرتنا لا تملك كتلة كافية لإبقاء كل شيء في مكانه. أثناء دورانه ، يجب أن يتفكك ، ويطرد النجوم والغازات في كل اتجاه. إما مجرة ​​حلزونية مثل مجرة ​​درب التبانة تنتهك قوانين الجاذبية ، أو الضوء المنبعث منها & # 8212 من السحب الواسعة المتوهجة للغاز وعدد لا يحصى من النجوم & # 8212 هو مؤشر غير دقيق على كتلة المجرة & # 8217s.

ولكن ماذا لو لم يشع جزء من كتلة مجرة ​​& # 8217s الضوء؟ إذا كانت المجرات الحلزونية تحتوي على ما يكفي من هذه الكتلة الغامضة ، فمن المحتمل أنها تخضع لقوانين الجاذبية. أطلق علماء الفلك على الكتلة غير المرئية & # 8220 المادة المظلمة. & # 8221

& # 8220 لم يخبرنا أحد على الإطلاق أن كل المادة تشع ، قالت & # 8221 فيرا روبين ، عالمة الفلك التي قدمت ملاحظاتها لدورات المجرات دليلاً على المادة المظلمة. & # 8220 لقد افترضنا للتو أنه حدث. & # 8221

حددت الجهود المبذولة لفهم المادة المظلمة الكثير من علم الفلك خلال العقدين التاليين. قد لا يعرف علماء الفلك ما هي المادة المظلمة ، لكن استنتاج وجودها سمح لهم بمتابعة سؤال أبدي بطريقة جديدة: ما هو مصير الكون؟

كانوا يعرفون بالفعل أن الكون يتوسع. في عام 1929 ، اكتشف عالم الفلك إدوين هابل أن المجرات البعيدة كانت تبتعد عنا ، وأنه كلما ابتعدت عنا ، بدا أنها تتراجع بشكل أسرع.

كانت هذه فكرة جذرية. بدلاً من الحياة الساكنة الفخمة التي لا تتغير إلى الأبد التي ظهر الكون من قبل ، كان في الواقع حيًا في الوقت المناسب ، مثل الفيلم. لف فيلم التمدد والكون سيصل في النهاية إلى حالة من الكثافة والطاقة اللانهائية & # 8212 ما يسميه علماء الفلك الانفجار العظيم. ولكن ماذا لو ضربت بسرعة للأمام؟ كيف ستنتهي القصة؟

الكون مليء بالمادة ، والمادة تجذب مادة أخرى من خلال الجاذبية. استنتج علماء الفلك أن الجاذبية المتبادلة بين كل هذه المادة يجب أن تبطئ تمدد الكون. لكنهم لم يعرفوا ماذا ستكون النتيجة النهائية. هل سيكون تأثير الجاذبية قوياً لدرجة أن الكون سيمتد في نهاية المطاف مسافة معينة ، ويتوقف ويعكس نفسه ، مثل كرة تُلقى في الهواء؟ أم أنه سيكون طفيفًا جدًا بحيث يفلت الكون من قبضته ولا يتوقف عن التوسع أبدًا ، مثل صاروخ يغادر الغلاف الجوي للأرض؟ أم أننا نعيش في عالم متوازن بشكل رائع ، حيث تضمن الجاذبية معدل تمدد Goldilocks ليس سريعًا جدًا ولا بطيئًا للغاية & # 8212 لذا فإن الكون في النهاية سيتوقف عن العمل الافتراضي؟

بافتراض وجود المادة المظلمة وأن قانون الجاذبية عالمي ، بدأ فريقان من علماء الفيزياء الفلكية & # 8212one بقيادة شاول بيرلماتر ، في مختبر لورانس بيركلي الوطني ، والآخر بقلم بريان شميدت ، في الجامعة الوطنية الأسترالية & # 8212 ، شرعوا في تحديد المستقبل الكون. خلال تسعينيات القرن الماضي ، حللت الفرق المتنافسة عن كثب عددًا من النجوم المتفجرة ، أو المستعرات الأعظمية ، باستخدام تلك الأجسام البعيدة ذات السطوع غير المعتاد وقصيرة العمر لقياس نمو الكون. كانوا يعرفون مدى سطوع المستعرات الأعظمية ينبغي تظهر في نقاط مختلفة عبر الكون إذا كان معدل التمدد منتظمًا. بمقارنة مقدار سطوع المستعرات الأعظمية في الواقع فعلت ظهر ، اكتشف علماء الفلك أنهم يستطيعون تحديد مدى تباطؤ تمدد الكون. ولكن بالنسبة لعلماء الفلك ومفاجأة # 8217 ، عندما نظروا إلى منتصف الطريق عبر الكون ، على بعد ستة أو سبعة مليارات سنة ضوئية ، وجدوا أن المستعرات الأعظمية كانت & # 8217t أكثر سطوعًا & # 8212 وبالتالي أقرب & # 8212 مما كان متوقعًا. كانت باهتة & # 8212 ، أي أكثر بعدا. استنتج الفريقان أن توسع الكون لم يتباطأ. # 8217s تسريع.

كان المعنى الضمني لهذا الاكتشاف بالغ الأهمية: & # 8200it يعني أن القوة المهيمنة في تطور الكون ليست & # 8217t الجاذبية. أنه. شيء آخر. أعلن كلا الفريقين عن النتائج التي توصلوا إليها في عام 1998. أعطى تيرنر & # 8220something & # 8221 لقبًا: الطاقة المظلمة. عالق. منذ ذلك الحين ، تابع علماء الفلك سر الطاقة المظلمة حتى نهايات الأرض & # 8212 حرفيا.

& # 8220 إن القطب الجنوبي لديه أقسى بيئة على وجه الأرض ، ولكنه أيضًا الأكثر اعتدالًا ، & # 8221 يقول ويليام هولزابفيل ، عالم الفيزياء الفلكية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي والذي كان الباحث الرئيسي في الموقع في تلسكوب القطب الجنوبي (SPT) عندما كنت زار.

لم يكن يشير إلى الطقس ، على الرغم من أنه في الأسبوع بين عيد الميلاد ورأس السنة الجديدة & # 8217s يوم & # 8212 في وقت مبكر من الصيف في نصف الكرة الجنوبي & # 8212 تشرق الشمس على مدار الساعة ، كانت درجات الحرارة بالكاد أقل من رقم واحد (ويوم واحد حتى. كسر الصفر) ، وكانت الريح هادئة في الغالب. قام Holzapfel بالسير من National Science Foundation & # 8217s Amundsen-Scott South Pole Station (كرة ثلجية & # 8217 ثانية من الموقع التقليدي للقطب نفسه ، والذي يتميز بقطب ، نعم) إلى التلسكوب مرتديًا الجينز وأحذية الجري . بعد ظهر أحد الأيام ، أصبح التلسكوب ومبنى المختبر رقم 8217 دافئًا للغاية وقام الطاقم بفتح الباب.

ولكن من منظور الفلكي & # 8217s ، ليس حتى تغرب الشمس وتبقى منخفضة & # 8212 مارس حتى سبتمبر & # 8212 يحصل القطب الجنوبي على & # 8220benign. & # 8221

& # 8220It & # 8217s ستة أشهر من البيانات غير المنقطعة ، & # 8221 يقول Holzapfel. خلال ظلام دام 24 ساعة في الخريف والشتاء الأسترالي ، يعمل التلسكوب بدون توقف في ظل ظروف لا تشوبها شائبة لعلم الفلك. الغلاف الجوي رقيق (يرتفع القطب أكثر من 9300 قدم فوق مستوى سطح البحر ، 9000 قدم منها جليدي). الغلاف الجوي مستقر أيضًا ، نظرًا لغياب تأثيرات التدفئة والتبريد لشروق الشمس وغروبها ، فإن القطب لديه بعض من أهدأ الرياح على الأرض ، وهي تهب دائمًا من نفس الاتجاه.

ولعل الأهم بالنسبة للتلسكوب ، أن الهواء جاف بشكل استثنائي من الناحية الفنية ، والقارة القطبية الجنوبية هي صحراء. (يمكن أن تستغرق الأيدي المتشققة أسابيع للشفاء ، والتعرق ليس مشكلة صحية حقًا ، لذا فإن تقييد الاستحمام مرتين في الأسبوع للحفاظ على المياه لا يمثل مشكلة كبيرة. كما أخبرني أحد المحاربين القدامى ، & # 8220 ارجع من خلال الجمارك في كرايستشيرش [نيوزيلندا] ، عندما تحتاج & # 8217s إلى الاستحمام. & # 8221) تكتشف SPT الموجات الدقيقة ، وهي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي حساس بشكل خاص لبخار الماء. يمكن للهواء الرطب أن يمتص الموجات الدقيقة ويمنعها من الوصول إلى التلسكوب ، وتصدر الرطوبة إشعاعها الخاص ، والذي يمكن أن يساء فهمه على أنه إشارات كونية.

لتقليل هذه المشكلات ، جعل علماء الفلك الذين يحللون الموجات الدقيقة والموجات ما دون المليمتر القطب الجنوبي موطنًا ثانيًا. توجد أدواتهم في القطاع المظلم ، وهو مجموعة ضيقة من المباني حيث يتم تقليل الضوء ومصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي الأخرى إلى الحد الأدنى. (يوجد في الجوار القطاع الهادئ ، لبحوث الزلازل ، وقطاع الهواء النظيف ، لمشاريع المناخ.)

يحب علماء الفلك أن يقولوا إنه من أجل ظروف مراقبة أكثر نقاءً ، سيتعين عليهم الذهاب إلى الفضاء الخارجي & # 8212 اقتراح أغلى أضعافًا مضاعفة ، وهو اقتراح لا ترغب ناسا & # 8200 بشكل عام & # 8217t في متابعته ما لم يكن العلم & # 8217t بسهولة على الأرض. (تم تشغيل قمر صناعي للطاقة المظلمة وخارج لوحة الرسم منذ عام 1999 ، وفي العام الماضي انتقل & # 8220 رجوعًا إلى المربع الأول ، & # 8221 وفقًا لأحد مستشاري ناسا.) على الأقل على الأرض ، إذا حدث خطأ ما في أحد الأجهزة ، لا تحتاج إلى قيادة مكوك فضائي لإصلاحه.

حافظت الولايات المتحدة على وجودها على مدار العام في القطب منذ عام 1956 ، والآن أصبحت المؤسسة الوطنية للعلوم وبرنامج أنتاركتيكا في الولايات المتحدة بمثابة علم. حتى عام 2008 ، كانت المحطة موجودة في قبة جيوديسية لا يزال تاجها مرئيًا فوق الثلج. تشبه المحطة الأساسية الجديدة سفينة سياحية صغيرة أكثر من كونها نقطة استيطانية بعيدة وتتسع لأكثر من 150 شخصًا ، وكل ذلك في أماكن خاصة. من خلال الفتحات التي تصطف على جانبي الطابقين ، يمكنك التفكير في الأفق بمستوى التنويم المغناطيسي مثل أي محيط & # 8217s. ترتكز المحطة الجديدة على مصاعد تسمح لها ، مع تراكم الثلج ، برفع طابقين كاملين.

قد يكون تساقط الثلوج في هذه المنطقة القاحلة للغاية ضئيلًا ، ولكن ما ينفجر من حواف القارة # 8217s لا يزال بإمكانه إحداث فوضى ، مما يخلق واحدة من أكثر المهام الدنيوية لطاقم الشتاء SPT & # 8217. مرة واحدة في الأسبوع خلال الأشهر المظلمة ، عندما يتقلص عدد سكان المحطة إلى حوالي 50 ، يتعين على الباحثتين SPT & # 8200 في الموقع الصعود إلى التلسكوب & # 8217s طبق الميكروويف الذي يبلغ عرضه 33 قدمًا وتنظيفه. يجمع التلسكوب البيانات ويرسلها إلى أجهزة سطح المكتب الخاصة بالباحثين البعيدين. يقضي الاثنان & # 8220winter-over & # 8221 أيامهم في العمل على البيانات أيضًا ، وتحليلها كما لو كانوا في المنزل. ولكن عندما يصطدم التلسكوب بخلل ويصدر صوت إنذار على أجهزة الكمبيوتر المحمولة الخاصة بهم ، يتعين عليهم معرفة المشكلة & # 8212 Fast.

& # 8220 ساعة التوقف هي آلاف الدولارات من وقت المراقبة الضائع ، & # 8221 & # 8200 يقول Keith Vanderlinde ، واحد من 2008 & # 8217s الشتوية. & # 8220 هناك دائمًا أشياء صغيرة. سوف تنكسر المروحة لأنها جافة جدًا هناك ، وتختفي كل مواد التشحيم. وبعد ذلك سوف ترتفع درجة حرارة الكمبيوتر ويغلق نفسه ، وفجأة تعطلنا & # 8217 وليس لدينا أي فكرة عن السبب. & # 8221 في هذه المرحلة ، قد لا تبدو البيئة كذلك & # 8220benign & # 8221 بعد كل شيء. لا توجد رحلات جوية من القطب الجنوبي أو منه في الفترة من مارس إلى أكتوبر (سيصبح زيت محرك الطائرة # 8217 جيلاتينًا) ، لذلك إذا كان بإمكان فترات الشتاء & # 8217t إصلاح كل ما تم كسره ، فسيظل معطلاً & # 8212 الذي لم يحدث حتى الآن.

أكثر من معظم العلوم ، يعتمد علم الفلك على حاسة البصر قبل أن يتمكن علماء الفلك من إعادة تصور الكون ككل ، وعليهم أولاً اكتشاف كيفية إدراك الأجزاء المظلمة. إن معرفة ماهية المادة المظلمة سيساعد العلماء على التفكير في كيفية تشكل بنية الكون. إن معرفة ما تفعله الطاقة المظلمة من شأنه أن يساعد العلماء على التفكير في كيفية تطور هذا الهيكل بمرور الوقت & # 8212 وكيف سيستمر في التطور.

العلماء لديهم اثنين من المرشحين لتكوين المادة المظلمة & # 8212 جسيمات افتراضية تسمى نيوترالينوس و أكسيونات. ومع ذلك ، بالنسبة للطاقة المظلمة ، فإن التحدي لا يكمن في معرفة ما هي عليه ولكن ما يشبهه. على وجه الخصوص ، يريد علماء الفلك معرفة ما إذا كانت الطاقة المظلمة تتغير عبر المكان والزمان ، أو ما إذا كانت ثابتة. طريقة واحدة لدراسته هي قياس ما يسمى اهتزازات الباريون الصوتية. عندما كان الكون لا يزال في مهده ، لم يتجاوز عمره 379000 عام ، برد بدرجة كافية حتى تنفصل الباريونات (الجسيمات المصنوعة من البروتونات والنيوترونات) عن الفوتونات (حزم الضوء). ترك هذا الفصل وراءه بصمة & # 8212 تسمى الخلفية الكونية الميكروية & # 8212 التي لا يزال من الممكن اكتشافها اليوم. يتضمن الموجات الصوتية (& # 8220 التذبذبات الصوتية & # 8221) التي تجوب الكون الرضيع. تمثل قمم هذه التذبذبات مناطق كانت أكثر كثافة قليلاً من بقية الكون. ولأن المادة تجذب المادة من خلال الجاذبية ، فقد ازدادت كثافة تلك المناطق مع تقدم عمر الكون ، واندمجت أولاً في المجرات ثم إلى عناقيد المجرات. إذا قارن علماء الفلك تذبذبات الخلفية الكونية الميكروية الأصلية مع توزيع المجرات في مراحل مختلفة من تاريخ الكون ، فيمكنهم قياس معدل توسع الكون.

هناك طريقة أخرى لتعريف الطاقة المظلمة تتضمن طريقة تسمى عدسة الجاذبية. وفقًا لنظرية ألبرت أينشتاين والنسبية العامة ، يبدو أن شعاعًا من الضوء ينتقل عبر الفضاء ينحني بسبب جاذبية المادة. (في الواقع ، فإن الفضاء نفسه هو الذي ينحني ، والضوء يسير على طول الطريق.) إذا كانت مجموعتان من المجرات تقعان على طول خط رؤية واحد ، فإن المجموعة الأمامية ستعمل كعدسة تشوه الضوء القادم من مجموعة الخلفية . يمكن لهذا التشويه أن يخبر علماء الفلك عن كتلة الكتلة الأمامية. من خلال أخذ عينات من ملايين المجرات في أجزاء مختلفة من الكون ، يجب أن يكون علماء الفلك قادرين على تقدير المعدل الذي تتجمع فيه المجرات في مجموعات مع مرور الوقت ، وهذا المعدل بدوره سيخبرهم بمدى سرعة توسع الكون في نقاط مختلفة من تاريخه.

يستخدم تلسكوب القطب الجنوبي تقنية ثالثة تسمى تأثير Sunyaev-Zel & # 8217dovich ، والتي سميت لاثنين من علماء الفيزياء السوفييتية ، والتي تعتمد على الخلفية الكونية الميكروية. إذا تفاعل فوتون من الأخير مع غاز ساخن في عنقود ، فإنه يواجه زيادة طفيفة في الطاقة. يتيح اكتشاف هذه الطاقة لعلماء الفلك رسم خرائط لتلك المجموعات وقياس تأثير الطاقة المظلمة على نموها عبر تاريخ الكون. هذا ، على الأقل ، هو الأمل. & # 8220 لقد طور الكثير من الناس في المجتمع ما أعتقد أنه شك صحي. يقولون ، & # 8216 ، هذا & # 8217s عظيم ، ولكن تبين لنا المال ، & # 8217 & # 8221 يقول Holzapfel. & # 8220 وأعتقد أنه في غضون عام أو عامين ، سنكون في وضع يمكننا من القيام بذلك. & # 8221

يركز فريق SPT على عناقيد المجرات لأنها أكبر الهياكل في الكون ، وغالبًا ما تتكون من مئات المجرات & # 8212 وهي كتلة تبلغ مليون مرة كتلة الشمس. بينما تدفع الطاقة المظلمة الكون للتوسع ، فإن مجموعات المجرات ستواجه صعوبة في النمو. سيصبحون أكثر بعدًا عن بعضهم البعض ، وسيصبح الكون أكثر برودة ووحدة.

مجموعات المجرات & # 8220 تشبه نوعًا ما الكناري في منجم فحم من حيث تكوين الهيكل ، & # 8221 Holzapfel يقول. إذا تغيرت كثافة المادة المظلمة أو خصائص الطاقة المظلمة ، فإن وفرة العناقيد & # 8220 ستكون أول شيء يتم تغييره. & # 8221 يجب أن يكون تلسكوب القطب الجنوبي قادرًا على تتبع مجموعات المجرات بمرور الوقت. & # 8220 يمكنك أن تقول ، & # 8216 منذ عدة مليارات من السنين ، كم عدد المجموعات الموجودة ، وكم عددها الآن؟ & # 8217 & # 8221 يقول Holzapfel. & # 8220 ثم قارنهم بتوقعاتك & # 8221

ومع ذلك ، تأتي كل هذه الأساليب مع تحذير. إنهم يفترضون أننا نفهم الجاذبية بشكل كافٍ ، وهي ليست فقط القوة التي تعارض الطاقة المظلمة ولكنها كانت أساس الفيزياء ذاته على مدى القرون الأربعة الماضية.

عشرين مرة في الثانية ، يوجه الليزر المرتفع في جبال سكرامنتو في نيو مكسيكو نبضة من الضوء على القمر ، على بعد 239000 ميل. هدف الحزمة & # 8217s هو واحد من ثلاث عاكسات بحجم حقيبة السفر زرعها رواد فضاء أبولو على سطح القمر منذ أربعة عقود. ترتد الفوتونات من الشعاع عن المرآة وتعود إلى نيو مكسيكو. إجمالي وقت السفر ذهابًا وإيابًا: 2.5 ثانية ، أكثر أو أقل.

هذا & # 8220 أكثر أو أقل & # 8221 هو كل الفرق. من خلال توقيت رحلة سرعة الضوء ، يمكن للباحثين في مرصد نقطة أباتشي للقمر بالليزر (APOLLO) قياس المسافة بين الأرض والقمر لحظة بلحظة ورسم خريطة لمدار القمر & # 8217s بدقة متناهية. كما هو الحال في قصة غاليليو الملفقة لإسقاط الكرات من برج بيزا المائل لاختبار عالمية السقوط الحر ، يتعامل أبولو مع الأرض والقمر مثل كرتين تسقطان في مجال جاذبية الشمس. ماريو ليفيو ، عالِم الفيزياء الفلكية في معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور ، يسميها & # 8220abs بالتأكيد تجربة لا تصدق. & # 8221 إذا أظهر مدار القمر حتى أدنى انحراف عن توقعات أينشتاين ، فقد يضطر العلماء إلى إعادة التفكير في معادلاته & # 8212 وربما حتى وجود المادة المظلمة والطاقة المظلمة.

& # 8220 حتى الآن ، لا يزال أينشتاين متمسكًا ، & # 8221 يقول أحد مراقبي أبولو & # 8217 ، عالم الفلك روسيت ماكميلان ، بينما يمر مشروعها الذي يمتد لخمس سنوات في منتصف الطريق.

حتى لو لم يكن أينشتاين صامدًا ، فسيتعين على الباحثين أولاً التخلص من الاحتمالات الأخرى ، مثل خطأ في قياس كتلة الأرض أو القمر أو الشمس ، قبل الاعتراف بأن النسبية العامة تتطلب تصحيحًا. ومع ذلك ، يعرف علماء الفلك أنهم يعتبرون الجاذبية أمرًا مفروغًا منه على مسؤوليتهم الخاصة. لقد استنتجوا وجود المادة المظلمة بسبب آثارها الجاذبية على المجرات ، ووجود الطاقة المظلمة بسبب آثارها المضادة للجاذبية على توسع الكون.ماذا لو كان الافتراض الكامن وراء هذه الاستنتاجات المزدوجة & # 8212 أننا نعرف كيف تعمل الجاذبية & # 8212 خطأ؟ هل يمكن لنظرية الكون أكثر غرابة من نظرية المادة المظلمة والطاقة المظلمة أن تفسر الدليل؟ لمعرفة ذلك ، يختبر العلماء الجاذبية ليس فقط عبر الكون ولكن عبر سطح الطاولة. حتى وقت قريب ، لم يكن الفيزيائيون يقيسون الجاذبية في نطاقات قريبة للغاية.

& # 8220 مذهل ، أليس كذلك & # 8217t؟ & # 8221 يقول إريك أدلبرجر ، منسق العديد من تجارب الجاذبية التي تجري في مختبر بجامعة واشنطن ، سياتل. & # 8220 ولكن لن يكون & # 8217t مذهلاً إذا حاولت القيام بذلك & # 8221 & # 8212 إذا حاولت اختبار الجاذبية على مسافات أقصر من ملليمتر. اختبار الجاذبية ليس مجرد مسألة وضع جسمين بالقرب من بعضهما البعض وقياس التجاذب بينهما. قد يكون لكل أنواع الأشياء الأخرى تأثير الجاذبية.

& # 8220 هناك & # 8217s معدن هنا ، & # 8221 أديلبيرجر يقول ، مشيرًا إلى آلة موسيقية قريبة. & # 8220 هناك منحدر تل هنا & # 8221 & # 8212 يلوحون نحو نقطة ما بعد الجدار الخرساني الذي يحيط بالمختبر. & # 8220 هناك بحيرة هناك. & # 8221 هناك & # 8217s أيضا مستوى المياه الجوفية في التربة ، والتي تتغير في كل مرة تمطر فيها. ثم هناك دوران الأرض وموضع الشمس والمادة المظلمة في قلب مجرتنا.

على مدار العقد الماضي ، قام فريق سياتل بقياس قوة الجاذبية بين جسمين على مسافات أصغر وأصغر ، وصولاً إلى 56 ميكرون (أو 1/500 من البوصة) ، فقط للتأكد من أن معادلات أينشتاين للجاذبية صحيحة في أقصر مسافات أيضًا. حتى الآن ، هم يفعلون.

ولكن حتى أينشتاين أدرك أن نظريته عن النسبية العامة لم تفسر الكون تمامًا. لقد أمضى الثلاثين عامًا الأخيرة من حياته في محاولة التوفيق بين فيزياء الكبار جدًا وفيزياء ميكانيكا الكم الصغير جدًا # 8212. لقد فشل.

توصل المنظرون إلى جميع أنواع الاحتمالات في محاولة للتوفيق بين النسبية العامة وميكانيكا الكم: الأكوان المتوازية ، الأكوان المتصادمة ، الأكوان الفقاعية ، الأكوان ذات الأبعاد الإضافية ، الأكوان التي تتكاثر إلى الأبد ، الأكوان التي ترتد من الانفجار العظيم إلى الأزمة الكبيرة إلى الأزمة الكبيرة. حية.

يقول آدم ريس ، عالم الفلك الذي تعاون مع بريان شميدت في اكتشاف الطاقة المظلمة ، إنه ينظر يوميًا إلى موقع على الإنترنت (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) حيث ينشر العلماء تحليلاتهم لمعرفة الأفكار الجديدة في الخارج. & # 8220 معظمهم غريب الأطوار ، & # 8221 كما يقول. & # 8220 ولكن من المحتمل أن يأتي شخص ما بنظرية عميقة. & # 8221

على الرغم من كل تطوراته ، تبين أن علم الفلك كان يعمل في ظل افتراض غير صحيح ، وإن كان معقولًا: ما تراه هو ما تحصل عليه. الآن يتعين على علماء الفلك التكيف مع فكرة أن الكون ليس مادة منا & # 8212 في المخطط الكبير للأشياء ، فنوعنا وكوكبنا ومجرتنا وكل شيء رأيناه على الإطلاق ، كما هو الحال في الفيزياء النظرية لورانس كراوس من جامعة ولاية أريزونا قال ، & # 8220a قليلا من التلوث. & # 8221

ومع ذلك ، لا يميل علماء الكونيات إلى الإحباط. & # 8220 المشكلات الصعبة حقًا رائعة ، & # 8221 يقول مايكل تيرنر ، & # 8220 لأننا نعلم أنهم & # 8217ll تتطلب فكرة جديدة مجنونة. & # 8221 كما قال أندرياس ألبريشت ، عالم الكونيات بجامعة كاليفورنيا في ديفيس ، في المؤتمر الأخير حول الطاقة المظلمة: & # 8220 إذا وضعت الجدول الزمني لتاريخ العلم أمامي وكان بإمكاني اختيار أي وقت ومجال ، فهذا هو المكان الذي أريد أن أكون فيه & # 8217d. & # 8221

ريتشارد بانيك كتب عن أينشتاين لـ سميثسونيان في عام 2005. سيصدر كتابه عن المادة المظلمة والطاقة المظلمة في عام 2011.


شاهد الفيديو: نظرية انشتاين و تباطؤ الزمن شيء مزهل و ستفهمها (شهر نوفمبر 2021).