در فوریه سال ۱۹۱۹، “فرانک دایسون”(Frank Dyson)، پژوهشگر “رصدخانه سلطنتی گرینویچ”(ROG) و “آرتور ادینگتون”(Arthur Eddington)، پژوهشگر “دانشگاه کمبریج”(Cambridge University)، دو گروه از ستاره‌شناسان را تشکیل دادند تا به اکتشاف و عکسبرداری از یک خورشیدگرفتگی بپردازند که قرار بود در ماه مه آن سال رخ دهد. یک گروه در سوبرا در برزیل و گروه دیگر در جزیره کوچک “پرنسیپ”(Principe) در سواحل غربی آفریقا مستقر شدند.

این اکتشافات، برای بررسی نظریه نسبیت عام “آلبرت اینشتین” بود. این نظریه که در سال ۱۹۱۵ پس از سال‌ها آزمون و خطا منتشر شد، اختلافات بحث‌برانگیزی را در میان جامعه علمی آن زمان پدید آورد.یکی از پیش‌بینی‌های نسبیت عام این بود که به نظر می‌رسد نوری که از کنار جرمی مانند خورشید می‌گذرد، منحرف خواهد شد. نظریه اینشتین این موضوع را مطرح می‌کند که اجرام نجومی به خاطر اندازه خود، انحرافی را در فضا-زمان ایجاد می‌کنند به طوری که حتی امواج نور نیز منحرف می‌شوند.

تاریکی کسوف، فرصتی را برای ستاره‌شناسان فراهم کرد تا به مشاهده ستارگانی بپردازند که از منظر زمین به خورشید نزدیک می‌شوند زیرا در غیر این صورت، با درخشش ستارگان، به طور کامل پاک می‌شوند.ماموریت گروه‌ها با موفقیت انجام شد. آنها پس از عکس گرفتن از یک خوشه ستاره‌ای موسوم به “قلائص”(Hyades) که در صورت فلکی “گاو”(Taurus) قرار دارد، به بررسی تصاویر خود با تصاویر مرجع همان خوشه ستاره‌ای پرداختند تا تفاوت احتمالی ناشی از حضور خورشید را محاسبه کنند. در نوامبر آن سال، دایسون و ادینگتون اعلام کردند که یافته‌های آنها از این نظریه پشتیبانی می‌کنند. افراد مشکوک ساکت شدند و اینشتین و نظریات وی، بلافاصله به شهرت رسیدند.

نسبیت عام

نسبیت عام را بدون اغراق می‌توان یکی از عمیق‌ترین دیدگاه‌های علمی جهان توصیف کرد که بشر روی آن کار کرده است. پس از اعلام نتایج پژوهش دایسون و ادینگتون، “جی.جی. تامسون”(J.J. Thomson)، فیزیکدان انگلیسی، نظریه اینشتین را قاره‌ای از ایده‌های علمی توصیف کرد.دانشمندان هنوز در حال بررسی توپوگرافی این قاره هستند. انحنای نور در اطراف اجرام بزرگ نجومی، تنها یکی از جلوه‌های فیزیکی عجیبی است که این نظریه توصیف می‌کند.

این نظریه، توجه انسان را به این حقیقت جلب می‌کند که فضا، قابل انعطاف و جهان، عجیب است. اگرچه شاید این توصیف شایسته‌ای از منظر فنی نباشد اما این حقیقت اساسی محیطی است که همه در آن ساکن هستند.ساده‌ترین راه برای توضیح این نظریه، این است که جرم یک جسم با نیروی گرانش آن ارتباط دارد. هرچه جرم بیشتر باشد، نیروی گرانش بیشتر است و هرچه نیرو بیشتر باشد، انحراف بیشتری در فضا رخ می‌دهد. نکته عجیبی که باید به خاطر سپرد، این است که تاثیرات گرانش، نتیجه مشهود انحراف فضا- زمان است.از آنجا که فضا-زمان از چهار بعد تشکیل شده است که سه بعد فضا و یک بعد زمان را در بر دارد، اجرام کیهانی بزرگ، زمان را نیز منحرف می‌کنند. این دو با یکدیگر پیوند ناگسستنی دارند؛ از این رو عبارت فضا-زمان برای آن به کار می‌رود.

زمان، ماهیت فضا است

پروفسور “اریک پواسون”(Eric Poisson)، فیزیک‌دان نظری اهل کانادا و استاد بخش فیزیک “دانشگاه گوئلف”(University of Guelph) کانادا است. پژوهش‌های وی کمک کرده‌اند تا برخی از اسرارآمیزترین اجرام نجومی جهان از جمله سیاه‌چاله‌ها، ستاره‌های نوترونی و امواج گرانشی که آنها تولید می‌کنند را بهتر درک کنیم.دکتر پواسون در مصاحبه‌ای توضیح داد که چگونه زمان به خاطر اثرات نسبیت عام، همیشه به یک شکل جریان ندارد و چگونه این موضوع حتی در مکان‌های گوناگون روی زمین به صورت متفاوتی به حقیقت می‌پیوندد.

پواسون گفت: یکی از نخستین موضوعاتی که اینشتین کشف کرد، این است که اگر دو ساعت داشته باشید و حرکت نسبی میان آنها وجود داشته باشد، ساعت‌ها سرعت‌های گوناگونی دارند. دومین موضوعی که اینشتین به ما آموخت، این است که این فقط حرکات نسبی میان ساعت‌ها نیست، بلکه موقعیت نسبی در یک میدان گرانشی است. بنابراین ساعتی که در عمق یک میدان گرانشی است، کندتر از ساعتی خواهد بود که دور از منبع جاذبه قرار دارد.

به همین دلیل است که ساعتی که در بالای کوه اورست قرار دارد، زمان را به شکلی متفاوت با ساعتی که در سطح دریا قرار دارد، اندازه‌گیری می‌کند. ساعت بالای کوه کمی سریع‌تر از ساعتی که در ارتفاع پایین قرار دارد، کار می‌کند. بیشتر ساعت‌ها به اندازه کافی حساس نیستند تا بتوانند این تفاوت را که تقریبا به میلیونیوم ثانیه می‌رسد، ثبت کنند. اگرچه به نظر می‌رسد که این فقط یک واقعیت علمی جالب باشد اما در واقع نشان می‌دهد که نسبیت عام چگونه بر زندگی روزمره ما اثر می‌گذارد.

امواج گرانشی و سیاهچاله‌های دوتایی

پواسون و سایر اخترفیزیک‌دانان در حال حاضر نسبیت عام را در پیش گرفته‌اند و با آن جهات گوناگونی را بررسی می‌کنند. پژوهش‌های وی عمدتا در مورد سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی است که تولید می‌کنند.امواج گرانشی، یک پدیده کیهانی است که در سال ۱۹۱۶ توسط اینشتین پیش‌بینی شد و برای نخستین بار در سال ۲۰۱۵، گروهی از دانشمندان طی همکاری علمی موسوم به “LIGO Scientific Collaboration” آن را مشاهده کردند.

نقش پواسون در شناسایی این امواج، بسیار مهم بوده است. وی در اوایل ۱۹۹۰، سه سال را تحت نظر “کیپ تورن”(Kip Thorne)، یکی از بنیانگذاران LIGO گذراند که در سال ۲۰۱۷ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد، گذراند. روش پواسون برای حل کردن معادلات مربوط به امواج گرانشی، یک بخش کلیدی از تحلیل‌هایی است که مورد استفاده گروه‌هایی مانند LIGO قرار دارد تا وجود آنها را تشخیص دهند.

به زبان ساده، امواج گرانشی، امواج کوچکی در فضا-زمان هستند که به واسطه حرکت اجرام بزرگی مانند سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی تولید می‌شوند. دانشمندان اکنون فناوری‌هایی را برای اندازه‌گیری واقعی چنین امواجی در اختیار دارند که جابجایی پرتوهای بسیار حساس لیزر را نیز شامل می‌شود.

پواسون ادامه داد: چالش بزرگ، در اندازه‌گیری آنها نهفته است. بخش دشوار این حقیقت، این است که امواج، بسیار کوچک هستند. اگر دو جرم آزادانه در فضا حرکت کنند، آنچه با عبور یک موج گرانشی رخ می‌دهد، این است که فاصله، نوسان را آغاز می‌کند. آنچه می‌توان انجام داد، به کار بردن پرتو لیزر برای اندازه‌گیری فاصله نسبی میان دو جرم است.

تقریبا هر چیزی می‌تواند این اندازه‌گیری را مختل کند. این فناوری به خاطر حساسیت ردیاب‌های موجود در زمین و اندازه کوچک امواج ممکن است هر چیزی به جز خود موج گرانشی را ثبت کند. فعالیت لرزه‌ای فقط یک نمونه از پدیده‌هایی است که می‌تواند در این میان تداخل ایجاد کند. به همین دلیل است که پواسون و دیگران امیدوارند که در آینده نزدیک، ردیاب‌هایی در مدار زمین وجود داشته باشد.پواسون گفت: ما امیدواریم که در ۲۰۳۰ بتوانیم ردیاب‌های موج گرانشی را به فضا پرتاب کنیم.

وی افزود: ما در جهانی زندگی می‌کنیم که نجوم به واسطه امواج گرانشی صورت می‌گیرد. ما در حال کشف جهان به شیوه‌ای جدید هستیم.پواسون ادامه داد: هنگامی که جهان را به واسطه نور مرئی بررسی می‌کنیم، موارد خاصی را می‌بینیم. هنگامی که از طیف الکترومغناطیسی برای شناسایی امواج رادیویی استفاده کردیم، جهانی متفاوت‌تر از آنچه پیشتر دیده بودیم، مشاهده کردیم.امواج گرانشی، دریچه دیگری به جهان هستند؛ دریچه‌ای به سوی قسمت‌های تاریک جهان که ما درباره آنها اطلاعات کمی داریم.

پواسون اضافه کرد: هر زمان که دریچه جدیدی را به جهان باز می‌کنید، موضوع کاملا متفاوتی را می‌بینید. اکنون ما شاهد جهان تاریک هستیم. امواج گرانشی تمایل دارند در مناطقی تولید شوند که نور کمی از آنها ساطع می‌شود. ادغام سیاه‌چاله‌ها و ادغام ستاره‌های نوترونی، مواردی هستند که آنها را به هیچ وجه دیگری نمی‌توانیم تشخیص دهیم.

برای پواسون، این یکی از دلگرم‌کننده‌ترین ابزارها برای دستیابی به چشم‌انداز تاریخچه برخی از بزرگترین اجرام کیهانی است. سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی اغلب به صورت جفت‌هایی موسوم به “سامانه دوتایی”(Binary system) یافت می‌شوند که با سرعتی باورنکردنی به دور یکدیگر می‌چرخند و امواج گرانشی را در سراسر جهان ایجاد می‌کنند. پژوهشگران امیدوارند که تجزیه و تحلیل امواج گرانشی کمک کنند تا یاد بگیریم که چگونه این سیستم‌ها شکل گرفته‌اند.

طولانی‌ترین بازی

پیشرفت‌های چشمگیر علمی به ویژه در زمینه نجوم، می‌توانند لحظات بسیار درخشانی را برای عموم مردم رقم بزنند.پواسون گفت: بررسی سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی ممکن است کاربرد فوری نداشته باشند. ما زندگی کسی را نجات نمی‌دهیم و یا فناوری اختراع نمی‌کنیم که زندگی به سرعت بهتر شود اما من باور دارم که فکر کردن به جایگاه خود در جهان، فکر کردن به آنچه در بزرگترین مقیاس وجود دارد، درک این که در کجا قرار داریم و از کجا آمده‌ایم، سوالاتی اساسی هستند که همیشه همه انسان‌ها از خود پرسیده‌اند.

این که امواج گرانشی تقریبا ۱۰۰ سال پس از پیش‌بینی‌ ابتدایی مشاهده شده‌اند، صبر و سازگاری در پژوهش‌های علمی را نشان می‌دهد و این همان چیزی است که پواسون بر آن تاکید دارد. پواسون افزود: ما نمی‌توانیم انسان‌ها را با این سوالات بسیار مهم در تاریکی رها کنیم. ممکن است که پاسخ دادن به این سوالات، زمان زیادی ببرد اما ما به عنوان انسان باید همیشه آنها را بپرسیم.