سربلندی اینشتین در یک آزمون دیگر

مقایسه‌ی پیش‌بینی‌های نظریه‌های اصلاح‌شده‌ی گرانش (گرانش ضیف‌تر و گرانش قوی‌تر) با اندازه‌ی سایه‌ی ام۸۷ در تصویر واقعی.

آزمایش تازه‌ای که روی نظریه‌ی نسبیت عامِ آلبرت اینشتین انجام شده یک بار دیگر این فیزیکدان برجسته را تایید کرده است، این بار با بررسی دوباره‌ی همان تصویر پرآوازه‌ای که برای نخستین بار از یک سیاهچاله گرفته شده و در آوریل ۲۰۱۹ منتشر شده بود.

این تصویر که از ابرسیاهچاله‌ی مرکز کهکشان ام۸۷ گرفته شده بود نخستین نمای مستقیم از سایه‌ی یک سیاهچاله را نشان می‌داد -نقشِ افق رویداد، کره‌ای پیرامون تکینگی سیاهچاله که هیچ چیزی، حتی نور هم توان گریز از آن را ندارد. نظریه‌ی اینشتین اندازه‌ی افق رویداد را بر پایه ی جرم سیاهچاله پیش‌بینی می‌کند؛ و در آوریل ۲۰۱۹، روشن بود که این سایه بسیار خوب با پیش‌بینی نسبیت عام همخوانی دارد.

ولی اکنون پژوهشگرانی که این تصویر را پدید آورده بودند، با بهره از تکنیکی نوین به بررسی‌اش پرداختند تا ببینند به چه اندازه با نظریه سازگار است. پاسخ: ۵۰۰ برابر بهتر از هر آزمایشی که تاکنون در سامانه‌ی خورشیدی روی نسبیت انجام شده بود. این نتیجه به نوبه‌ی خود محدودیت‌های سخت‌تری روی هر نظریه‌ای که بخواهد نسبیت عام را (که رفتار اجرام بزرگ کیهانی را توصیف می‌کند) با مکانیک کوانتوم (که رفتار چیزهای بسیار کوچک را پیش‌بینی می‌کند) آشتی دهد می‌گذارد.

دستاورد بزرگ نسبیت عام توصیف شیوه‌ی کارکرد گرانش در کیهان است: این که چگونه اجرام را به سوی یکدیگر می‌کشد؛ چگونه فضا-زمان را می‌خَماند (انحنا می‌دهد)؛ و چگونه سیاهچاله‌ها را می‌آفریند. دانشمندان برای آزمودن نسبیت عام، این نظریه را برای پیش‌بینی چگونگی رفتار گرانش در یک وضعیت خاص به کار می‌برند. سپس چیزی که واقعا رخ می‌دهد را نگاه می‌کنند. اگر پیش‌بینی با مشاهدات همخوانی داشته باشد، نسبیت عام از این آزمون سربلند بیرون آمده.

ولی هیچ آزمونی کامل و بی‌نقص نیست. ببینید گرانش خورشید چگونه سیاره‌ی تیر را در مدارش می‌کِشد، و از این راه می‌توانید نسبیت عام را در عمل بسنجید. ولی تلسکوپ‌ها نمی‌توانند حرکت تیر را تا اندازه‌های نانومتری بسنجند. و عامل‌های دیگر -کشش گرانشی مشتری، و گرانش زمین و نیروی باد خورشیدی، هر چند اندک- به گونه‌ای بر حرکت تیر اثر می‌گذارند که به سختی می‌توان آنها را از تاثیر نسبیت جدا کرد. بنابراین نتیجه‌ی هر آزمونی یک تقریب است و نظریه‌ی اینشتین تنها کمابیش اثبات می‌شود.

اندازه‌ی این بی‌قطعیتی (همان فاکتورِ "کمابیش") اهمیت دارد. هنگامی که دانشمندان نسبیت عام را بارها و بارها آزمایش می‌کنند، محدودیت‌هایی بر نظریه‌ی اینشتین می‌گذارند. دلیل اهمیت این پژوهش اینست که حتی اگر نسبیت عام پی در پی از هر آزمونی سربلند بیرون بیاید، باز هم فیزیکدانان انتظار دارند سرانجام شکست بخورد.

فیزیکدانان بر این باورند که نسبیت عام حتما ناقص است چون با مکانیک کوانتوم سر ناسازگاری دارد. به باور آنان، این اختلاف نشانه‌ی وجود یک سازوکارِ فراگیر و بزرگ در کیهانست که هم گرانش و هم دنیای کوانتومی را توصیف می‌کند ولی تاکنون ناشناخته مانده. آنها امیدوارند با نگاه کردن به شکاف‌های نسبیت عام بتوانند به سرنخ‌هایی دست یابند که به یافتن این نظریه‌ی کامل کمک کند. اخترفیزیکدان دانشگاه آریزونا، دیمیتریوس سالتیس می‌گوید: «ما انتظار داریم یک نظریه‌ی گرانش کامل، با نسبیت عام متفاوت باشد، ولی راه‌های بسیاری برای اصلاح آن هست.» سالتیس نویسنده‌ی اصلی گزارشی‌ست که روز ۱ اکتبر در نشریه‌ی فیزیکال ریویو لترز منتشر شده و این آزمایش تازه را توصیف کرده است. وی عضو گروه تلسکوپ ایونت هورایزن (ئی‌اچ‌تی) است که تصویربرداری از ابرسیاهچاله‌ی کهکشان ام۸۷ را انجام داد.

در این آزمایش تازه، سالتیس و گروهش به کمک رایانه و بر پایه‌ی یک نسخه‌های اصلاح شده‌ی گرانش که در آنها، نیروی گرانش در افق رویداد یا ضعیف‌تر یا نیرومندتر، تصویرهایی مصنوعی از سیاهچاله‌ی ام۸۷ پدید آوردند. آنها می‌خواستند بدانند در سناریوی گرانشِ ضعیف-شده، افق رویداد سیاهچاله باید بزرگ یا کوچک باشد؟ در گرانش نیرومندتر چه؟

آنها سپس بررسی کردند تا ببینند چه تعداد از این اصلاح‌های احتمالی، افق رویدادی پدید می‌آورد که با تصویر واقعی تلسکوپ ئی‌اچ‌تی از ام۸۷ همخوانی داشته باشد. برخی از آنها با تصویر واقعی همخوانی داشتند و اندک اختلافی هم که با پیش‌بینی‌های نسبیت عام داشتند بسیار کوچک‌تر از آن بود که در تصویر افشانِ سیاهچاله پیدا باشد. ولی اکثریت نزدیک به اتفاق آنها ناسازگار بودند.

یکی دیگر از نویسندگان این پژوهش، فریال اوزل از دانشگاه آریزونا می‌گوید: «ما با این پیمانه و معیاری که پدید آوردیم نشان دادیم که بزرگیِ اندازه‌گیری شده‌ی سایه در ام۸۷ نسبت به آزمایش‌هایی که در سامانه‌ی خورشیدی انجام شده، میدان را برای اصلاح‌های نسبیت عام اینشتین تا حدود ۵۰۰ برابر تنگ‌تر می‌کند.»

بیشتر نظریه‌های جایگزین برای گرانش که آنها در نظر گرفتند -نظریه‌هایی که با نسبیت عام اینشتین در چالشند- در این میدان تنگ نویافته جا نمی‌شوند.

پژوهشگران ئی‌اچ‌تی می‌گویند شاید در آینده بتوانند این میدان را از این هم تنگ‌تر کنند.

تلسکوپ ایونت هورایزن آرایه‌ای از رادیوتلسکوپ‌ها در سرتاسر جهان است که با هم برای پدید آوردن واضح‌ترین تصویر ممکن از ابرسیاهچاله‌ها (سیاهچاله‌های ابرپرجرم) کار می‌کنند. این اجرام اگرچه بزرگند، ولی بسیار کوچک‌تر و تاریک‌تر از آنند که یک تلسکوپ به تنهایی بتواند آنها را آشکار کند. ئی‌اچ‌تی تاکنون تنها یک تصویر را از یک سیاهچاله منتشر کرده، در کهکشان ام۸۷. ولی یک سیاهچاله‌ی کوچک‌تر در همسایگی‌مان هست که ئی‌اچ‌تی باید بتواند به تصویرش بکشد: کمان ای*، ابرسیاهچاله‌ی مرکز کهکشان خودمان.

همچنان که ئی‌اچ‌تی ناوگان رادیوتلسکوپ‌هایش را رو به این هدفِ نزدیک‌تر نشانه گرفته، دانشمندان این گروه هم ترفندهای نظری خود را بهبود بخشیده و تلسکوپ‌هایی تازه به ناوگانش افزوده‌اند. آنها می‌گویند تصویر تازه‌ای که پدید خواهند آورد باید بتواند محدوده‌های نسبیت عام را از این هم تنگ‌تر کند.

یا شاید هم چیزی را ببینند که اینشتین اصلا پیش‌بینی نکرده بوده.

--------------------------------------------
تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:
telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:
Albert Einstein - general relativity - black hole - galaxy - M87 - event horizon - singularity - solar system - quantum mechanics - sun' - Mercury - Jupiter - Earth - solar wind - University of Arizona - Dimitrios Psaltis - Physical Review Letters - Event Horizon Telescope - EHT - Feryal Özel - radio telescope - supermassive black hole - Sagittarius A* - Milky Way

منبع: livescience
برگردان: یک ستاره در هفت آسمان