الفلك

ما العلاقة بين نظرية الجاذبية لأينشتاين والمادة المظلمة؟

ما العلاقة بين نظرية الجاذبية لأينشتاين والمادة المظلمة؟

كنت أقرأ كتابًا أوليًا عن المادة المظلمة (في الواقع ، منظور تاريخي) وتم ذكر كيف يتفاعل المجتمع العلمي مع فكرة المادة المظلمة المقترحة كحل للتباين الملحوظ بين الكتلة الفعلية للأنظمة الفلكية والكتلة المتوقعة من نظرية نيوتن. كنت أتساءل أين تقف نظرية أينشتاين فيما يتعلق بالمادة المظلمة ، هل تنبأت بها بطريقة ما ، أم أن المادة المظلمة تثبت عدم اكتمال نظرية أينشتاين؟ وماذا عن الطاقة المظلمة؟


تم افتراض وجود المادة المظلمة في الأصل لأن هناك درجة أكبر من الطاقة الدورانية في المجرات مما تسمح به المادة المرئية - على نحو فظ ، تدور بسرعة كبيرة بحيث يجب أن تدور عن بعضها البعض ، وبالتالي تم الافتراض أن هناك مصدرًا إضافيًا لقوة الجاذبية في بعض المجرات. شكل من أشكال المادة غير المرئية.

هذا ليس نتيجة التناقض في النسبية العامة لأينشتاين. الجاذبية النيوتونية هي تقريب جيد جدًا لمقدار آينشتاين GR في معظم المقاييس والطاقات العادية وهذا صحيح في هذه الحالة أيضًا.

لست متأكدًا ، بالضبط ، مما يعنيه سؤال "ماذا عن الطاقة المظلمة" ، ولكن بافتراض أنك تقصد ، هل هذا يعني عدم اكتمال في الموارد الوراثية ، ثم مرة أخرى الإجابة هي لا ، أو على الأقل ليس بالضرورة ، ولكنها نقطة أكثر دقة .

الطاقة المظلمة هي المصدر المفترض للطاقة التي تتسبب في تمدد الكون بمعدل متسارع. يمكن إدراجه كمصطلح في معادلات مجال GR (توجد تفسيرات أخرى لـ DE على الرغم من ذلك) - ولكن هذا مجرد مصطلح رياضي ، وليس تفسيرًا لماديته.

أدخل أينشتاين في الأصل مثل هذا المصطلح في حلوله - للتنبؤ بكون ثابت بشكل أساسي. عندما تبين أن الكون يتوسع ، وصف ذلك بأنه "خطأه الأكبر".

إن الدليل على معدل التوسع المتسارع حديث نسبيًا وجاء بعد فترة طويلة من وفاة أينشتاين ، لذلك لم يعش أبدًا ليرى الفكرة الأساسية - "الثابت الكوني" في معادلاته - تتجدد.

هذا يوضح المزيد - https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant


قد تفسر نظرية الجاذبية الجديدة المادة المظلمة

قد تفسر نظرية الجاذبية الجديدة الحركات الغريبة للنجوم في المجرات. الجاذبية الناشئة ، كما تُدعى النظرية الجديدة ، تتنبأ بنفس الانحراف الدقيق للحركات الذي يُفسَّر عادةً باستدعاء المادة المظلمة. نشر البروفيسور إريك فيرليند ، الخبير الشهير في نظرية الأوتار بجامعة أمستردام ومعهد دلتا للفيزياء النظرية ، ورقة بحثية جديدة اليوم يوسع فيها وجهات نظره الرائدة حول طبيعة الجاذبية.

في عام 2010 ، فاجأ إريك فيرليند العالم بنظرية جديدة تمامًا عن الجاذبية. وفقًا لفيرليند ، الجاذبية ليست قوة أساسية للطبيعة ، ولكنها ظاهرة ناشئة. بنفس الطريقة التي تنشأ بها درجة الحرارة من حركة الجسيمات المجهرية ، تظهر الجاذبية من التغيرات في أجزاء المعلومات الأساسية المخزنة في بنية الزمكان ذاتها.

قانون نيوتن من المعلومات

في مقالته عام 2010 (حول أصل الجاذبية وقوانين نيوتن) ، أظهر فيرليند كيف يمكن اشتقاق قانون نيوتن الثاني الشهير ، الذي يصف كيف تسقط التفاح من الأشجار وتبقى الأقمار الصناعية في المدار ، من هذه اللبنات الأساسية المجهرية. بتوسيع عمله السابق والعمل الذي قام به الآخرون ، يوضح Verlinde الآن كيفية فهم السلوك الغريب للنجوم في المجرات دون إضافة المادة المظلمة المحيرة.

المناطق الخارجية من المجرات ، مثل مجرتنا درب التبانة ، تدور حول المركز أسرع بكثير مما يمكن تفسيره بكمية المادة العادية مثل النجوم والكواكب والغازات بين النجوم. يجب أن ينتج شيء آخر المقدار المطلوب من قوة الجاذبية ، لذلك اقترح الفيزيائيون وجود المادة المظلمة. يبدو أن المادة المظلمة تهيمن على كوننا ، وتشكل أكثر من 80٪ من كل المادة. حتى الآن ، لم تتم ملاحظة جسيمات المادة المظلمة المزعومة ، على الرغم من الجهود العديدة للكشف عنها.

لا حاجة للمادة المظلمة

وفقًا لإريك فيرليند ، ليست هناك حاجة لإضافة جسيم المادة المظلمة الغامض إلى النظرية. في بحث جديد ، ظهر اليوم على خادم ArXiv قبل الطباعة ، يوضح Verlinde كيف تتنبأ نظريته في الجاذبية بدقة بالسرعات التي تدور بها النجوم حول مركز مجرة ​​درب التبانة ، وكذلك حركة النجوم داخل المجرات الأخرى.

يقول فيرليند: "لدينا دليل على أن هذه النظرة الجديدة للجاذبية تتفق بالفعل مع الملاحظات". "على المقاييس الكبيرة ، على ما يبدو ، لا تتصرف الجاذبية بالطريقة التي تتنبأ بها نظرية أينشتاين."

للوهلة الأولى ، تقدم نظرية فيرليند ميزات مشابهة لنظريات الجاذبية المعدلة مثل MOND (الديناميكيات النيوتونية المعدلة ، Mordehai Milgrom (1983)). ومع ذلك ، حيث تقوم MOND بضبط النظرية لتتناسب مع الملاحظات ، تبدأ نظرية فيرليند من المبادئ الأولى. "نقطة انطلاق مختلفة تمامًا" ، وفقًا لفيرليند.

تكييف مبدأ التصوير المجسم

أحد مكونات نظرية فيرليند هو تكييف مبدأ التصوير المجسم ، الذي قدمه معلمه جيرارد تي هوفت (جائزة نوبل 1999 ، جامعة أوتريخت) وليونارد سوسكيند (جامعة ستانفورد). وفقًا لمبدأ التصوير المجسم ، يمكن وصف جميع المعلومات في الكون بأسره على كرة خيالية عملاقة حوله. يُظهر Verlinde الآن أن هذه الفكرة ليست صحيحة تمامًا - جزء من المعلومات الموجودة في كوننا موجود في الفضاء نفسه.

هذه المعلومات الإضافية مطلوبة لوصف ذلك المكون المظلم الآخر للكون: الطاقة المظلمة ، والتي يعتقد أنها مسؤولة عن التوسع المتسارع للكون. من خلال التحقيق في تأثيرات هذه المعلومات الإضافية على المادة العادية ، توصلت Verlinde إلى نتيجة مذهلة. في حين أن الجاذبية العادية يمكن ترميزها باستخدام المعلومات الموجودة على الكرة الخيالية حول الكون ، كما أوضح في عمله عام 2010 ، فإن نتيجة المعلومات الإضافية في الجزء الأكبر من الفضاء هي قوة تتطابق بشكل جيد مع المادة المظلمة.

على شفا ثورة علمية

الجاذبية في حاجة ماسة إلى مقاربات جديدة مثل تلك التي ابتكرتها Verlinde ، لأنها لا تتحد جيدًا مع فيزياء الكم. كلا النظريتين ، جوهرة التاج لفيزياء القرن العشرين ، لا يمكن أن تكون صحيحة في نفس الوقت. تنشأ المشاكل في ظروف قاسية: بالقرب من الثقوب السوداء ، أو أثناء الانفجار العظيم. يقول فيرليند ، "يعمل العديد من الفيزيائيين النظريين مثلي على مراجعة النظرية ، وقد تم إحراز بعض التقدم الكبير. ربما نكون على وشك ثورة علمية جديدة من شأنها أن تغير وجهات نظرنا بشكل جذري حول طبيعة الفضاء ذاتها. والوقت والجاذبية ".


قد يتسبب ذيل مغناطيسي حول المريخ في تعديل الكوكب بنفسه

منذ أن امتلكنا التكنولوجيا ، نظرنا إلى النجوم بحثًا عن حياة فضائية. من المفترض أننا نبحث لأننا نريد إيجاد حياة أخرى في الكون ، ولكن ماذا لو كنا نتطلع للتأكد من عدم وجود أي حياة أخرى؟

إليك معادلة ، وهي معادلة محزنة إلى حد ما في ذلك: ن = ص* × Fص × نه × F1 × Fأنا × Fج × إل. إنها معادلة دريك ، وهي تصف عدد الحضارات الفضائية في مجرتنا والتي قد نتمكن من التواصل معها. تتوافق مصطلحاته مع قيم مثل جزء النجوم مع الكواكب ، وجزء الكواكب التي يمكن أن تنشأ عليها الحياة ، وجزء الكواكب التي يمكن أن تدعم الحياة الذكية ، وما إلى ذلك. باستخدام تقديرات متحفظة ، فإن النتيجة الدنيا لهذه المعادلة هي 20. يجب أن يكون هناك 20 حضارة غريبة ذكية في مجرة ​​درب التبانة يمكننا الاتصال بها ومن يمكنه الاتصال بنا. لكن لا يوجد أي منها.

معادلة دريك هي مثال لقضية أوسع في المجتمع العلمي - بالنظر إلى الحجم الهائل للكون ومعرفتنا بأن حياة الذكاء قد تطورت مرة واحدة على الأقل ، يجب أن يكون هناك دليل على وجود حياة فضائية. يشار إلى هذا عمومًا باسم مفارقة فيرمي ، على اسم الفيزيائي إنريكو فيرمي الذي درس التناقض بين الاحتمالية العالية للحضارات الغريبة وغيابها الظاهر. لخص فيرمي ذلك بإيجاز عندما سأل ، "أين الجميع"؟

لكن ربما كان هذا هو السؤال الخطأ. قد يكون السؤال الأفضل ، وإن كان أكثر إثارة للقلق ، "ماذا حدث للجميع؟" على عكس السؤال أين الحياة موجودة في الكون ، وهناك إجابة محتملة أوضح لهذا السؤال: الفلتر العظيم.


غالبًا ما يتم الخلط بين الناس بسبب المضاعفات الإضافية المتمثلة في مناقشة الجاذبية النيوتونية والأينشتاين غالبًا في أشكال رياضية مختلفة. هذا يمكن أن يميل إلى التعتيم على الاختلافات الجسدية. إذا كنت تلعب لعبة الرياضيات ، فإن Misner و Thorne و Wheeler (قم بإخراجه من مكتبة أو احصل عليه من جهة ثانية ما لم تكن جادًا حقًا في هذا العمل) لديه فصل رائع يضع النظريتين جنبًا إلى جنب بنفس اللغة ( الهندسة التفاضلية). الفرق الرئيسي هو أن الجاذبية النيوتونية لها امتياز فصل الزمكان في المكان والزمان ، في حين أن الجاذبية أينشتاين لها فقط الزمكان.

تحرير: لأكون واضحا تماما ، يمكن كتابة الجاذبية النيوتونية على أنها انحناء في الزمكان! هذا يتعارض مع التصريحات الشائعة حول الشيء الجديد في الموارد الوراثية. الفرق الرئيسي هو أن الجاذبية النيوتونية لها هياكل مطلقة إضافية مثل GR لا يمتلك: الزمان والمكان المطلقان ، الفصل المفضل للزمكان إلى أجزاء زمنية ومكانية ، التزامن المطلق ، ووصلة منحنية غير مميزة مشتقة من مقياس الزمكان (كريستوفل).

مع بعض العلاقات الأخرى التي لم أكتبها (انظر الفصل 12 من MTW للحصول على التفاصيل).

نتيجة الشكليات هي أن المعادلة النيوتونية هي معادلة قيد - فهي لا تصف درجة انتشار الحرية. لا توجد موجات ثقالية أو جرافيتونات وما إلى ذلك. كل مادة لها تأثير جاذبية لحظية على كل المواد الأخرى. هذا يختلف في GR لأن معادلة المجال أ معادلة الموجة الذي يصف انتشار اضطرابات الجاذبية من نقطة إلى أخرى بسرعة الضوء.

ما لا يمتلكه نيوتن من GR هو مقياس الزمكان لتوقيع لورنتزيان. هذا المقياس له دور مميز في أن جميع الهياكل الأخرى (الوصلات ، الانحناءات ، إلخ) مشتقة منه. لا يوجد شيء آخر جوهري لجاذبية أينشتاين. هذا هو السبب في أنها أنيقة للغاية في الشكل الهندسي. هذا المقياس يأتي في الواقع من النسبية الخاصة. لكن المقياس كان عبارة عن هيكل ثابت في SR ، يشبه تقريبًا الزمان والمكان المطلقين لنيوتن (لا تخبر أي شخص قلت هذا). الشيء الجديد في النسبية العامة هو أن أينشتاين يسمح للمقياس "بالتدوير" إذا جاز التعبير - للتغيير من مكان إلى مكان ومن وقت لآخر استجابة لما تفعله المادة.


في الواقع ، تقدم الورقة صياغة رياضية أكثر رسمية للمسلمات. تختلف صياغة الافتراضات اختلافًا طفيفًا عن الكتاب المدرسي إلى الكتاب المدرسي بسبب مشاكل الترجمة ، من اللغة الألمانية الرياضية إلى اللغة الإنجليزية المفهومة.

غالبًا ما يتم كتابة الافتراض الثاني عن طريق الخطأ ليشمل أن سرعة الضوء في الفراغ هي ج في جميع الأطر المرجعية. هذا في الواقع نتيجة مشتقة من الافتراضين ، وليس جزءًا من الفرضية الثانية نفسها.

الفرضية الأولى هي إلى حد كبير الفطرة السليمة. لكن الفرضية الثانية كانت الثورة. قدم أينشتاين بالفعل نظرية الفوتون للضوء في ورقته عن التأثير الكهروضوئي (مما جعل الأثير غير ضروري). وبالتالي ، كان الافتراض الثاني نتيجة لتحرك فوتونات عديمة الكتلة بسرعة ج في الفراغ. لم يعد للأثير دور خاص كإطار مرجعي "مطلق" بالقصور الذاتي ، لذلك لم يكن غير ضروري فحسب ، بل عديم الفائدة نوعياً في ظل النسبية الخاصة.

أما بالنسبة للورقة نفسها ، فقد كان الهدف هو التوفيق بين معادلات ماكسويل للكهرباء والمغناطيسية وحركة الإلكترونات القريبة من سرعة الضوء. كانت نتيجة ورقة أينشتاين هي إدخال تحويلات إحداثيات جديدة ، تسمى تحويلات لورنتز ، بين الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. عند السرعات البطيئة ، كانت هذه التحولات متطابقة بشكل أساسي مع النموذج الكلاسيكي ، ولكن عند السرعات العالية ، بالقرب من سرعة الضوء ، أدت إلى نتائج مختلفة جذريًا.


ما هي النسبية؟ أوضحت نظرية أينشتاين والانحناء الذهني

عندما ظهرت نظرية النسبية في أوائل القرن العشرين ، قلبت قرونًا من العلم وأعطت علماء الفيزياء فهمًا جديدًا للمكان والزمان. رأى إسحاق نيوتن أن المكان والزمان ثابتان ، ولكن في الصورة الجديدة التي قدمتها النسبية الخاصة والنسبية العامة ، كانا سائلين وقابلان للطرق.

من جاء بنظرية النسبية؟

البرت اينشتاين. نشر الجزء الأول من نظريته - النسبية الخاصة - في مجلة الفيزياء الألمانية Annalen der Physik في عام 1905 وأكمل نظريته في النسبية العامة فقط بعد عقد آخر من العمل الشاق. قدم النظرية الأخيرة في سلسلة من المحاضرات في برلين في أواخر عام 1915 ونشرت في أنالين في عام 1916.

متعلق ب

Science اشترك في نشرة MACH الإخبارية اليومية

ما هي النسبية الخاصة؟

تستند النظرية على مفهومين رئيسيين.

  • أولاً ، لا يسمح العالم الطبيعي بأطر مرجعية "مميزة". طالما أن الجسم يتحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة (أي بدون تسارع) ، فإن قوانين الفيزياء هي نفسها للجميع. إنه يشبه إلى حد ما عندما تنظر من نافذة قطار وترى قطارًا مجاورًا يبدو وكأنه يتحرك - ولكنه كذلك هو - هي تتحرك ، أو هي أنت؟ يمكن أن يكون من الصعب معرفة ذلك. أدرك أينشتاين أنه إذا كانت الحركة موحدة تمامًا ، فمن المستحيل حرفياً معرفة ذلك - وحدد هذا على أنه مبدأ مركزي للفيزياء.
  • ثانيًا ، ينتقل الضوء بسرعة غير متغيرة تبلغ 186000 ميل في الثانية. بغض النظر عن السرعة التي يتحرك بها المراقب أو مدى سرعة تحرك الجسم الباعث للضوء ، فإن قياس سرعة الضوء يؤدي دائمًا إلى نفس النتيجة.

بدءًا من هذين الافتراضين ، أظهر أينشتاين أن المكان والزمان متشابكان بطرق لم يدركها العلماء من قبل. من خلال سلسلة من التجارب الفكرية ، أظهر أينشتاين أن عواقب النسبية الخاصة غالبًا ما تكون غير متوقعة - بل ومذهلة.

إذا كنت تقوم بالتكبير في صاروخ ومررت صديقًا في صاروخ مماثل ولكنه أبطأ الحركة ، على سبيل المثال ، ستلاحظ أن ساعة صديقك تدق ببطء أكثر من ساعتك (يطلق الفيزيائيون على هذا "تمدد الوقت").

علاوة على ذلك ، سيظهر صاروخ صديقك أقصر من صاروخك. إذا تسارعت سرعة صاروخك ، فسوف تزداد كتلتك وكتلة الصاروخ. كلما ذهبت بشكل أسرع ، أصبحت الأشياء أثقل وزادت مقاومة صاروخك لجهودك لجعله يعمل بشكل أسرع. أظهر أينشتاين أنه لا يوجد شيء له كتلة يمكن أن يصل إلى سرعة الضوء.

من النتائج الأخرى للنسبية الخاصة أن المادة والطاقة قابلة للتبادل من خلال المعادلة الشهيرة E = mc² (حيث E تعني الطاقة ، و m للكتلة ، و c² سرعة الضوء مضروبًا في نفسه). نظرًا لأن سرعة الضوء كبيرة جدًا ، فحتى كمية ضئيلة من الكتلة تعادل - ويمكن تحويلها إلى - كمية كبيرة جدًا من الطاقة. هذا هو السبب في أن القنابل الذرية والهيدروجينية قوية للغاية.

ما هي النسبية العامة؟

في الأساس ، إنها نظرية الجاذبية. الفكرة الأساسية هي أنه بدلاً من أن تكون قوة غير مرئية تجذب الأشياء إلى بعضها البعض ، فإن الجاذبية هي انحناء أو تشويه للفضاء. كلما زاد حجم الجسم ، زاد تشوه المساحة المحيطة به.

متعلق ب

ماخ أكبر 7 أسئلة في الفيزياء بدون إجابة

على سبيل المثال ، الشمس ضخمة بما يكفي لتشوه الفضاء عبر نظامنا الشمسي - تشبه إلى حد ما الطريقة التي تلتوي بها كرة ثقيلة على لوح مطاطي. نتيجة لذلك ، تتحرك الأرض والكواكب الأخرى في مسارات منحنية (مدارات) حولها.

يؤثر هذا الالتواء أيضًا على قياسات الوقت. نميل إلى التفكير في الوقت على أنه يمر بسرعة ثابتة. ولكن مثلما يمكن للجاذبية أن تمتد أو تشوه الفضاء ، يمكنها أيضًا أن توسع الوقت. إذا صعد صديقك إلى قمة جبل ، فسترى أن ساعته تدق بشكل أسرع مقارنة بصديقك الآخر ، في أسفل الوادي ، سيكون لديه ساعة تدق أبطأ ، بسبب الاختلاف في قوة الجاذبية عند كل مكان. أثبتت التجارب اللاحقة أن هذا يحدث بالفعل.

كيف تبدو النسبية "تحت الغطاء؟"

النسبية الخاصة هي في النهاية مجموعة من المعادلات التي تربط الطريقة التي تبدو بها الأشياء في إطار مرجعي واحد لكيفية ظهورها في إطار آخر - تمدد الزمان والمكان ، وزيادة الكتلة. لا تتضمن المعادلات شيئًا أكثر تعقيدًا من رياضيات المدرسة الثانوية.

النسبية العامة أكثر تعقيدًا. تصف "معادلات المجال" العلاقة بين الكتلة وانحناء المكان وتمدد الوقت ، وعادة ما يتم تدريسها في دورات الفيزياء الجامعية على مستوى الدراسات العليا.

اختبارات النسبية الخاصة والعامة

على مدى القرن الماضي ، أكدت العديد من التجارب صحة كل من النسبية الخاصة والعامة. في أول اختبار رئيسي للنسبية العامة ، قام علماء الفلك في عام 1919 بقياس انحراف الضوء عن النجوم البعيدة أثناء مرور ضوء النجوم من شمسنا ، مما يثبت أن الجاذبية تعمل في الواقع على تشويه الفضاء أو انحنائه.

في عام 1971 ، اختبر العلماء كلا الجزأين من نظرية أينشتاين عن طريق وضع ساعات ذرية متزامنة بدقة في الطائرات وتحليقها حول العالم. أظهر فحص للساعات بعد هبوط الطائرات أن الساعات على متن الطائرات كانت تعمل بشكل أبطأ قليلاً من الساعات الموجودة على الأرض (أقل من جزء من المليون من الثانية).

نتج التباين عن سرعة الطائرات (تأثير نسبي خاص) وبُعدها الأكبر عن مركز مجال جاذبية الأرض (تأثير النسبية العامة).

في عام 2016 ، كان اكتشاف موجات الجاذبية - تموجات دقيقة في نسيج الزمكان - تأكيدًا آخر للنسبية العامة.

النسبية في الممارسة

بينما تبدو الأفكار الكامنة وراء النسبية مقصورة على فئة معينة ، كان للنظرية تأثير كبير على العالم الحديث.

محطات الطاقة النووية والأسلحة النووية ، على سبيل المثال ، ستكون مستحيلة بدون معرفة أن المادة يمكن أن تتحول إلى طاقة. وتحتاج شبكة الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الخاصة بنا إلى حساب التأثيرات الدقيقة لكل من النسبية الخاصة والعامة إذا لم تفعل ذلك ، فستعطي نتائج كانت بعيدة عدة أميال.


أثبتت نظرية جاذبية أينشتاين أنها صحيحة - بعد قرن من الزمان

اكتشف العلماء لأول مرة موجات ثقالية وتموجات في المكان والزمان افترضها ألبرت أينشتاين قبل قرن من الزمان ، في اكتشاف تاريخي أعلن عنه يوم الخميس يفتح نافذة جديدة لدراسة الكون.

قال الباحثون إنهم اكتشفوا موجات جاذبية قادمة من ثقبين أسودين بعيدين - أجسام كثيفة للغاية توقعها أينشتاين أيضًا - تدور حول بعضها البعض ، وتدور حول بعضها البعض وتحطمت معًا. وقالوا إن الموجات نتجت عن تصادم بين ثقبين أسودين كتلتهما تزيد كتلتهما بنحو 30 مرة عن كتلة الشمس ، ويقعان على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض.

سيداتي وسادتي ، لقد اكتشفنا موجات الجاذبية. قال ديفيد ريتزي ، الفيزيائي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، ما أثار التصفيق في مؤتمر صحفي حافل في واشنطن.

وقالت غابرييلا جونزاليس عالمة الفيزياء بجامعة ولاية لويزيانا في المؤتمر الصحفي "لقد كان طريقًا طويلًا للغاية ، لكن هذه مجرد البداية" ، مشيرة إلى افتتاح حقبة جديدة في علم الفلك.

تم تحقيق هذا الإنجاز العلمي باستخدام زوج من أجهزة الكشف عن الليزر العملاقة في الولايات المتحدة ، وتقع في لويزيانا وولاية واشنطن ، متوجًا سعيًا دام عقودًا للعثور على هذه الموجات.

"تصادم الثقوب السوداء التي أنتجت موجات الجاذبية هذه خلقت عاصفة عنيفة في نسيج الزمان والمكان ، عاصفة تسارع فيها الوقت ، وتباطأ ، ثم تسارع مرة أخرى ، عاصفة انحنى فيها شكل الفضاء بهذه الطريقة وبهذه الطريقة ، قال عالم الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا كيب ثورن.

تُعرف جهازي الليزر ، اللذان يعملان في انسجام تام ، باسم مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO). كانوا قادرين على اكتشاف الاهتزازات الصغيرة بشكل ملحوظ من تمرير موجات الجاذبية. بعد اكتشاف إشارة الموجة الثقالية ، قال العلماء إنهم حولوها إلى موجات صوتية وتمكنوا من الاستماع إلى أصوات اندماج الثقبين الأسودين.

قال الفيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ماثيو إيفانز: "إننا نسمعهم في الواقع يصطدمون بالليل". "نحصل على إشارة تصل إلى الأرض ، ويمكننا وضعها على مكبر صوت ، ويمكننا سماع صوت هذه الثقوب السوداء ،" Whoop. "هناك اتصال عميق جدًا بهذه الملاحظة."

قال العلماء إنهم اكتشفوا موجات الجاذبية لأول مرة في 14 سبتمبر الماضي.

قال عالم الفيزياء الفلكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، نيرجيس مافالفالا ، في مقابلة: "إننا نشهد حقًا افتتاح أداة جديدة للقيام بعلم الفلك". "لقد فتحنا إحساسًا جديدًا. لقد تمكنا من الرؤية والآن سنتمكن من السمع أيضًا ".

اقترح أينشتاين في عام 1916 وجود موجات الجاذبية كنتيجة لنظرية النسبية العامة الرائدة التي صورت الجاذبية على أنها تشويه للمكان والزمان ناتج عن وجود المادة. لكن حتى الآن لم يجد العلماء سوى أدلة غير مباشرة على وجودهم.

قال العلماء إن موجات الجاذبية تفتح الباب لطريقة جديدة لمراقبة الكون واكتساب المعرفة حول الأشياء الغامضة مثل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية. من خلال دراسة موجات الجاذبية ، يأملون أيضًا في الحصول على نظرة ثاقبة لطبيعة الكون المبكر جدًا ، والذي ظل غامضًا.

كل ما نعرفه عن الكون ينبع من الموجات الكهرومغناطيسية مثل موجات الراديو والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية وأشعة جاما. ولكن نظرًا لأن مثل هذه الموجات تواجه تداخلاً أثناء سفرها عبر الكون ، فإنها تستطيع أن تروي جزءًا فقط من القصة.

لا تواجه موجات الجاذبية مثل هذه الحواجز ، مما يعني أنها يمكن أن تقدم ثروة من المعلومات الإضافية. الثقوب السوداء ، على سبيل المثال ، لا تصدر ضوءًا أو موجات راديو وما شابه ذلك ، ولكن يمكن دراستها عبر موجات الجاذبية.

قال العلماء إنه نظرًا لاختلاف موجات الجاذبية اختلافًا جذريًا عن الموجات الكهرومغناطيسية ، فإنهم يتوقعون أن تكشف عن مفاجآت كبيرة حول الكون.

بدا العلماء مستغرقين بشكل إيجابي في الاكتشاف.

قال عالم الفيزياء الفلكية في معهد روتشستر للتكنولوجيا كارلوس لوستو: "هذا هو الكأس المقدسة للعلم". "آخر مرة حدث فيها شيء كهذا كانت في عام 1888 عندما اكتشف هاينريش هيرتز موجات الراديو التي تنبأت بها معادلات المجال الكهرومغناطيسية لجيمس كليرك ماكسويل في عام 1865 ،" أضاف عالم الفيزياء بجامعة دورهام توم ماكليش.

قال أبهاي أشتيقر ، مدير معهد Gravitation and the Cosmos التابع لجامعة ولاية بنسلفانيا: "إنه حقًا حدث مثير حقًا". "إنه يفتح نافذة جديدة تمامًا على الكون."

قال أشكار إن الأجرام السماوية الثقيلة تنحرف عن المكان والزمان ، ولكن بسبب الضعف النسبي لقوة الجاذبية يكون التأثير ضئيلًا باستثناء الأجسام الضخمة والكثيفة مثل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية. قال إنه عندما تصطدم هذه الأجسام ، فإنها ترسل تموجات في انحناء الزمان والمكان والتي تنتشر على شكل موجات ثقالية.

تم اكتشاف ثقب أسود ، منطقة من الفضاء مليئة بالمادة بحيث لا تستطيع حتى فوتونات الضوء الإفلات من قوة الجاذبية ، لأول مرة في عام 1971.

النجوم النيوترونية صغيرة ، بحجم مدينة تقريبًا ، لكنها ثقيلة للغاية ، وهي بقايا متراصة لنجم أكبر مات في انفجار مستعر أعظم.


البحث عن فولكان

الملاحظات المربكة لها وسيلة لقيادة علماء الفلك إلى تفسيرات يائسة. بعد ظهر يوم 26 مارس 1859 ، كان إدمون ليسكاربولت ، وهو طبيب شاب وعالم فلك هاوٍ في قرية أورجيريس أون بوس الصغيرة الواقعة جنوب باريس ، قد أخذ استراحة بين المرضى. هرع إلى مرصد صغير محلي الصنع على سطح حظيرته الحجرية. بمساعدة منظاره ، اكتشف جسمًا دائريًا غير معروف يتحرك عبر وجه الشمس.

أرسل بسرعة أخبار هذا الاكتشاف إلى Urbain Le Verrier ، عالم الفلك الرائد في العالم في ذلك الوقت. كان Le Verrier يحاول تفسير حالة غريبة في حركة كوكب عطارد. تدور جميع الكواكب الأخرى حول الشمس في توافق تام مع قوانين إسحاق نيوتن للحركة والجاذبية ، ولكن يبدو أن عطارد يتقدم بمقدار ضئيل مع كل مدار ، وهي ظاهرة تُعرف باسم حركة الحضيض. كان Le Verrier متأكدًا من أنه يجب أن يكون هناك كوكب "مظلم" غير مرئي يسحب عطارد. يبدو أن ملاحظة ليسكاربولت لبقعة مظلمة تمر عبر الشمس تظهر أن الكوكب ، الذي أطلق عليه Le Verrier اسم فولكان ، كان حقيقيًا.

لم يكن. لم يتم تأكيد مشاهدات ليسكاربولت أبدًا ، وظلت حركة الحضيض الشمسي لعطارد لغزًا لما يقرب من ستة عقود أخرى. ثم طور أينشتاين نظريته عن النسبية العامة ، والتي تنبأت بشكل مباشر بأن عطارد يجب أن يتصرف بالطريقة التي يتصرف بها.

حصة هذه المادة

نسخ!

النشرة الإخبارية

احصل على مجلة Quanta التي يتم تسليمها إلى صندوق الوارد الخاص بك

تُظهر خريطة النظام الشمسي من عام 1846 المدار المفترض لفولكان ، وهو كوكب افتراضي تم استدعاؤه لشرح ميزة محيرة في مدار عطارد.

في دافع Le Verrier لشرح الملاحظات المحيرة من خلال تقديم كائن مخفي حتى الآن ، يرى بعض الباحثين المعاصرين أوجه تشابه مع قصة المادة المظلمة والطاقة المظلمة. لعقود من الزمان ، لاحظ علماء الفلك أن سلوك المجرات والعناقيد المجرية لا يبدو أنه يتناسب مع تنبؤات النسبية العامة. المادة المظلمة هي إحدى طرق تفسير هذا السلوك. وبالمثل ، فإن التوسع المتسارع للكون يمكن اعتباره مدعومًا بالطاقة المظلمة.

ومع ذلك ، فشلت جميع محاولات الكشف المباشر عن المادة المظلمة والطاقة المظلمة. قال ليو شتاين ، عالم الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، إن هذه الحقيقة "تترك نوعًا ما طعمًا سيئًا في أفواه بعض الناس ، مثل كوكب فولكان الخيالي تقريبًا". "ربما نحن نتعامل مع كل شيء بشكل خاطئ؟"

لكي تعمل أي نظرية بديلة للجاذبية ، لا يتعين عليها التخلص من المادة المظلمة والطاقة المظلمة فحسب ، بل يجب أيضًا إعادة إنتاج تنبؤات النسبية العامة في جميع السياقات القياسية. قال أرشيبالد: "إن عمل نظريات الجاذبية البديلة هو عمل فوضوي". بعض البدائل المحتملة للنسبية العامة ، مثل نظرية الأوتار والجاذبية الكمية الحلقية ، لا تقدم تنبؤات قابلة للاختبار. وقالت إن آخرين "يضعون تنبؤات خاطئة بشكل مذهل ، لذلك يتعين على المنظرين ابتكار نوع من آلية الفرز لإخفاء التنبؤ الخاطئ على المقاييس التي يمكننا اختبارها بالفعل".

تُعرف نظريات الجاذبية البديلة الأكثر شهرة بالديناميات النيوتونية المعدلة ، والتي يتم اختصارها عادةً إلى MOND. تحاول نظريات النوع MOND التخلص من المادة المظلمة عن طريق تعديل تعريفنا للجاذبية. لاحظ علماء الفلك منذ فترة طويلة أن قوة الجاذبية الناتجة عن المادة العادية لا تبدو كافية للحفاظ على النجوم تتحرك بسرعة داخل مجراتها. يُفترض أن الجاذبية للمادة المظلمة هي التي تعوض الفرق. لكن وفقًا لـ MOND ، هناك نوعان من الجاذبية. في المناطق التي تكون فيها قوة الجاذبية قوية ، تخضع الأجسام لقانون الجاذبية لنيوتن ، والذي ينص على أن قوة الجاذبية بين جسمين تتناقص بالتناسب مع مربع المسافة التي تفصل بينهما. ولكن في البيئات ذات الجاذبية الضعيفة للغاية - مثل الأجزاء الخارجية من المجرة - يشير MOND إلى وجود نوع آخر من الجاذبية يلعب دورًا. تتناقص هذه الجاذبية بشكل أبطأ مع المسافة ، مما يعني أنها لا تضعف كثيرًا. قال Zumalacárregui: "الفكرة هي جعل الجاذبية أقوى عندما يجب أن تكون أضعف ، كما هو الحال في ضواحي إحدى المجرات".

ثم هناك TeVeS (tensor-vector-scalar) ، ابن عم MOND النسبي. في حين أن MOND هو تعديل للجاذبية النيوتونية ، فإن TeVeS هي محاولة لأخذ الفكرة العامة لـ MOND وتحويلها إلى نظرية رياضية كاملة يمكن تطبيقها على الكون ككل - وليس فقط على الأجسام الصغيرة نسبيًا مثل الأنظمة الشمسية والمجرات . كما يفسر منحنيات دوران المجرات بجعل الجاذبية أقوى على أطرافها. قال فابيان شميدت ، عالم الكونيات في معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية في جارشينج بألمانيا ، إن شركة TeVeS تقوم بذلك عن طريق زيادة الجاذبية باستخدام الحقول "العددية" و "المتجهية" التي "تضخم الجاذبية بشكل أساسي". يشبه الحقل القياسي درجة الحرارة في جميع أنحاء الغلاف الجوي: في كل نقطة يكون له قيمة عددية ولكن بدون اتجاه. على النقيض من ذلك ، فإن الحقل المتجه يشبه الريح: له قيمة (سرعة الرياح) واتجاه.

هناك أيضًا ما يسمى بنظريات جاليليون - وهي جزء من فئة من النظريات تسمى هورندسكي وما وراءه - هورنديسكي - والتي تحاول التخلص من الطاقة المظلمة. هذه التعديلات في النسبية العامة تقدم أيضًا مجالًا قياسيًا. هناك العديد من هذه النظريات (نظرية برانس-ديك ، نظريات التمدد ، نظريات الحرباء والجوهر ما هي إلا بعض منها) ، وتختلف تنبؤاتها بشكل كبير بين النماذج. لكنهم جميعًا يغيرون تمدد الكون ويغيرون قوة الجاذبية. طرح غريغوري هورنديسكي نظرية هورندسكي لأول مرة في عام 1974 ، لكن المجتمع الفيزيائي الأوسع لم يلاحظها إلا في عام 2010 تقريبًا. بحلول ذلك الوقت ، قال زومالاكاريغي ، "غريغوري هورنديسكي [كان] قد ترك العلم و [أصبح] رسامًا في نيو مكسيكو".

هناك أيضًا نظريات قائمة بذاتها ، مثل نظرية الفيزيائي إريك فيرليند. وفقًا لنظريته ، تنشأ قوانين الجاذبية بشكل طبيعي من قوانين الديناميكا الحرارية تمامًا مثل "الطريقة التي تظهر بها الموجات من جزيئات الماء في المحيط" ، كما قال Zumalacárregui. كتب فيرليند في رسالة بريد إلكتروني أن أفكاره ليست "نظرية بديلة" للجاذبية ، ولكنها "النظرية التالية للجاذبية التي تحتوي وتتجاوز النسبية العامة لأينشتاين". لكنه لا يزال يطور أفكاره. قال أرشيبالد: "انطباعي هو أن النظرية لا تزال غير كافية للسماح بنوع اختبارات الدقة التي نجريها". قال Zumalacárregui إنه مبني على "كلمات خيالية" ، "لكن لا يوجد إطار رياضي لحساب التنبؤات وإجراء اختبارات قوية".

تختلف التنبؤات التي قدمتها نظريات أخرى بطريقة ما عن تلك الخاصة بالنسبية العامة. ومع ذلك ، يمكن أن تكون هذه الاختلافات دقيقة ، مما يجعل العثور عليها أمرًا صعبًا للغاية.

لننظر إلى اندماج النجوم النيوترونية. في نفس الوقت الذي رصد فيه مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) موجات الجاذبية المنبعثة من الحدث ، رصد القمر الصناعي الفضائي فيرمي انفجارًا لأشعة غاما من نفس الموقع. كانت الإشارتان قد سارتا عبر الكون لمدة 130 مليون سنة قبل وصولهما إلى الأرض بفارق 1.7 ثانية فقط.

قال باولو فريري ، عالم الفيزياء الفلكية في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي في بون بألمانيا ، إن هذه الملاحظات المتزامنة تقريبًا "قتلت بوحشية وبلا رحمة" نظريات TeVeS. “Gravity and gravitational waves propagate at the speed of light, with extremely high precision — which is not at all what was predicted by those [alternative] theories.”

The same fate overtook some Galileon theories that add an extra scalar field to explain the universe’s accelerated expansion. These also predict that gravitational waves propagate more slowly than light. The neutron-star merger killed those off too, Schmidt said.

Further limits come from new pulsar systems. In 2013, Archibald and her colleagues found an unusual triple system: a pulsar and a white dwarf that orbit one another, with a second white dwarf orbiting the pair. These three objects exist in a space smaller than Earth’s orbit around the sun. The tight setting, Archibald said, offers ideal conditions for testing a crucial aspect of general relativity called the strong equivalence principle, which states that very dense strong-gravity objects such as neutron stars or black holes “fall” in the same way when placed in a gravitational field. (On Earth, the more familiar weak equivalence principle states that, if we ignore air resistance, a feather and a brick will fall at the same rate.)


محتويات

The thermodynamic description of gravity has a history that goes back at least to research on black hole thermodynamics by Bekenstein and Hawking in the mid-1970s. These studies suggest a deep connection between gravity and thermodynamics, which describes the behavior of heat. In 1995, Jacobson demonstrated that the Einstein field equations describing relativistic gravitation can be derived by combining general thermodynamic considerations with the equivalence principle. [1] Subsequently, other physicists, most notably Thanu Padmanabhan, began to explore links between gravity and entropy. [2] [3]

In 2009, Erik Verlinde proposed a conceptual model that describes gravity as an entropic force. [4] He argues (similar to Jacobson's result) that gravity is a consequence of the "information associated with the positions of material bodies". [5] This model combines the thermodynamic approach to gravity with Gerard 't Hooft's holographic principle. It implies that gravity is not a fundamental interaction, but an emergent phenomenon which arises from the statistical behavior of microscopic degrees of freedom encoded on a holographic screen. The paper drew a variety of responses from the scientific community. Andrew Strominger, a string theorist at Harvard said "Some people have said it can't be right, others that it's right and we already knew it – that it’s right and profound, right and trivial." [6]

In July 2011, Verlinde presented the further development of his ideas in a contribution to the Strings 2011 conference, including an explanation for the origin of dark matter. [7]

Verlinde's article also attracted a large amount of media exposure, [8] [9] and led to immediate follow-up work in cosmology, [10] [11] the dark energy hypothesis, [12] cosmological acceleration, [13] [14] cosmological inflation, [15] and loop quantum gravity. [16] Also, a specific microscopic model has been proposed that indeed leads to entropic gravity emerging at large scales. [17] Entropic gravity can emerge from quantum entanglement of local Rindler horizons. [18]

The effective temperature experienced due to a uniform acceleration in a vacuum field according to the Unruh effect is:

Taking the holographic screen to be a sphere of radius r , the surface area would be given by:

From algebraic substitution of these into the above relations, one derives Newton's law of universal gravitation:

Note that this derivation assumes that the number of the binary bits of information is equal to the number of the degrees of freedom.

Entropic gravity, as proposed by Verlinde in his original article, reproduces the Einstein field equations and, in a Newtonian approximation, a 1/r potential for gravitational forces. Since its results do not differ from Newtonian gravity except in regions of extremely small gravitational fields, testing the theory with earth-based laboratory experiments does not appear feasible. Spacecraft-based experiments performed at Lagrangian points within our solar system would be expensive and challenging.

Even so, entropic gravity in its current form has been severely challenged on formal grounds. Matt Visser has shown [19] that the attempt to model conservative forces in the general Newtonian case (i.e. for arbitrary potentials and an unlimited number of discrete masses) leads to unphysical requirements for the required entropy and involves an unnatural number of temperature baths of differing temperatures. Visser concludes:

There is no reasonable doubt concerning the physical reality of entropic forces, and no reasonable doubt that classical (and semi-classical) general relativity is closely related to thermodynamics [52–55]. Based on the work of Jacobson [1–6], Thanu Padmanabhan [7–12], and others, there are also good reasons to suspect a thermodynamic interpretation of the fully relativistic Einstein equations might be possible. Whether the specific proposals of Verlinde [26] are anywhere near as fundamental is yet to be seen – the rather baroque construction needed to accurately reproduce n-body Newtonian gravity in a Verlinde-like setting certainly gives one pause.

For the derivation of Einstein's equations from an entropic gravity perspective, Tower Wang shows [20] that the inclusion of energy-momentum conservation and cosmological homogeneity and isotropy requirements severely restrict a wide class of potential modifications of entropic gravity, some of which have been used to generalize entropic gravity beyond the singular case of an entropic model of Einstein's equations. Wang asserts that:

As indicated by our results, the modified entropic gravity models of form (2), if not killed, should live in a very narrow room to assure the energy-momentum conservation and to accommodate a homogeneous isotropic universe.

Cosmological observations using available technology can be used to test the theory. On the basis of lensing by the galaxy cluster Abell 1689, Nieuwenhuizen concludes that EG is strongly ruled out unless additional (dark) matter like eV neutrinos is added. [21] A team from Leiden Observatory statistically observing the lensing effect of gravitational fields at large distances from the centers of more than 33,000 galaxies, found that those gravitational fields were consistent with Verlinde's theory. [22] [23] [24] Using conventional gravitational theory, the fields implied by these observations (as well as from measured galaxy rotation curves) could only be ascribed to a particular distribution of dark matter. In June 2017, a study by Princeton University researcher Kris Pardo asserted that Verlinde's theory is inconsistent with the observed rotation velocities of dwarf galaxies. [25] [26]

Sabine Hossenfelder argues that "one should interpret these studies [comparing dark matter gravitational studies with EG] with caution" because "approximations must be made to arrive at [the to be tested EG] equation[s]" and it's not yet clear that the approximations are themselves correct. [27]

In 2018, Zhi-Wei Wang and Samuel L. Braunstein showed that, while spacetime surfaces near black holes (called stretched horizons) do obey an analog of the first law of thermodynamics, ordinary spacetime surfaces — including holographic screens — generally do not, thus undermining the key thermodynamic assumption of the emergent gravity program. [28]

Entropic gravity and quantum coherence Edit

Another criticism of entropic gravity is that entropic processes should, as critics argue, break quantum coherence. There is no theoretical framework quantitatively describing the strength of such decoherence effects, though. The temperature of the gravitational field in earth gravity well is very small (on the order of 10 −19 K).

Experiments with ultra-cold neutrons in the gravitational field of Earth are claimed to show that neutrons lie on discrete levels exactly as predicted by the Schrödinger equation considering the gravitation to be a conservative potential field without any decoherent factors. Archil Kobakhidze argues that this result disproves entropic gravity, [29] while Chaichian وآخرون. suggest a potential loophole in the argument in weak gravitational fields such as those affecting Earth-bound experiments. [30]


Ayón-Beato, E., García, A., Marcías, A., and Quevedo, H. Uniqueness theorems for static black holes in metric-affine gravity. Subm. ل فيز. Rev. D.

Baekler, P., Gürses, M., Hehl, F. W., and McCrea, J. D. (1988). The exterior gravitational field of a charged spinning source in the Poincaré gauge theory: A Kerr-Newman metric with dynamical torsion. فيز. Lett. 128 أ, 245.

Hehl, F. W., and Marcías, A. (1999). Metric-affine gauge theory of gravity: II. Exact solutions. Los Alamos e-Print Archive gr-qc/9902076, 1–27. كثافة العمليات جور. عصري. فيز. د 8, 399.

Hahl, F. W., McCrea, J. D., Mielke, E. W., and Ne'eman, Y. (1995). Metric-affine gauge theory of gravity: Field equations, Noether identities, world spinors, and breaking of dilation invariance. فيز. اعادة عد. 258, 1.

Obukhov, Yu. N., and Vlachynsky, E. J. (1999). Einstein-Proca model: Spherically symmetric solution. Annalen der Physik (Lpz.) 8, 497.

Obukhov, Yu. N., Vlachynsky, E. J., Esser, W., and Hehl, F. W. (1996). Effective Einstein theory from metric-affine gravity models via irreducible decompositions. فيز. القس. D56, 7769.

Obukhov, Yu. N., Vlachynsky, E. J., Esser, W., Tresguerres, R., and Hehl, F. W. (1996). An exact solution of the metric-affine gauge theory with dilation, shear, and spin charges. فيز. Lett. A200, 1.

Rosen, N. (1994). A classical Klein-Gordon particle. Foundations of Physics 24, 1563. A classical Proca particle. ibid.1689.


شاهد الفيديو: نيوتن على خطأ. علماء يرفضون قانون الجاذبية (شهر اكتوبر 2021).