النسبية والكون

اسمحوا لي ان اقدم هذا المقال المترجم ( من ترجمتي المتواضعة)

Relativity and the Cosmos

by Alan Lightman

In November of 1919, at the age of 40, Albert Einstein became an overnight celebrity, thanks to a solar eclipse. An experiment had confirmed that light rays from distant stars were deflected by the gravity of the sun in just the amount he had predicted in his theory of gravity, general relativity. General relativity was the first major new theory of gravity since Isaac Newton’s more than 250 years earlier.
Einstein became a hero, and the myth-building began. Headlines appeared in newspapers all over the world. On November 8, 1919, for example, the London Times had an article headlined: "The Revolution In Science/Einstein Versus Newton." Two days later, The New York Times’ headlines read: "Lights All Askew In The Heavens/Men Of Science More Or Less Agog Over Results Of Eclipse Observations/Einstein Theory Triumphs." The planet was exhausted from World War I, eager for some sign of humankind’s nobility, and suddenly here was a modest scientific genius, seemingly interested only in pure intellectual pursuits.
The essence of gravity
What was general relativity? Einstein’s earlier theory of time and space, special relativity, proposed that distance and time are not absolute. The ticking rate of a clock depends on the motion of the observer of that clock; likewise for the length of a "yardstick." Published in 1915, general relativity proposed that gravity, as well as motion, can affect the intervals of time and of space. The key idea of general relativity, called the equivalence principle, is that gravity pulling in one direction is completely equivalent to an acceleration in the opposite direction. A car accelerating forwards feels just like sideways gravity pushing you back against your seat. An elevator accelerating upwards feels just like gravity pushing you into the floor.
If gravity is equivalent to acceleration, and if motion affects measurements of time and space (as shown in special relativity), then it follows that gravity does so as well. In particular, the gravity of any mass, such as our sun, has the effect of warping the space and time around it. For example, the angles of a triangle no longer add up to 180 degrees, and clocks tick more slowly the closer they are to a gravitational mass like the sun.
Many of the predictions of general relativity, such as the bending of starlight by gravity and a tiny shift in the orbit of the planet Mercury, have been quantitatively confirmed by experiment. Two of the strangest predictions, impossible ever to completely confirm, are the existence of black holes and the effect of gravity on the universe as a whole (cosmology).
Collapsed stars
A black hole is a region of space whose attractive gravitational force is so intense that no matter, light, or communication of any kind can escape. A black hole would thus appear black from the outside. (However, gas around a black hole can be very bright.) It is believed that black holes form from the collapse of stars. As long as they are emitting heat and light into space, stars are able to support themselves against their own inward gravity with the outward pressure generated by heat from nuclear reactions in their deep interiors.
Every star, however, must eventually exhaust its nuclear fuel. When it does so, its unbalanced self-gravitational attraction causes it to collapse. According to theory, if a burned-out star has a mass larger than about three times the mass of our sun, no amount of additional pressure can stave off total gravitational collapse. The star collapses to form a black hole. For a nonrotating collapsed star, the size of the resulting black hole is proportional to the mass of the parent star; a black hole with a mass three times that of our sun would have a diameter of about 10 miles.
The possibility that stars could collapse to form black holes was first theoretically "discovered" in 1939 by J. Robert Oppenheimer and Hartland Snyder, who were manipulating the equations of Einstein’s general relativity. The first black hole believed to be discovered in the physical world, as opposed to the mathematical world of pencil and paper, was Cygnus X-1, about 7,000 light-years from Earth. (A light-year, the distance light travels in a year, is about six trillion miles.) Cygnus X-1 was found in 1970. Since then, a dozen excellent black hole candidates have been identified. Many astronomers and astrophysicists believe that massive black holes, with sizes up to 10 million times that of our sun, inhabit the centers of energetic galaxies and quasars and are responsible for their enormous energy release. Ironically, Einstein himself did not believe in the existence of black holes, even though they were predicted by his theory.
The start of everything
Beginning in 1917, Einstein and others applied general relativity to the structure and evolution of the universe as a whole. The leading cosmological theory, called the big bang theory, was formulated in 1922 by the Russian mathematician and meteorologist Alexander Friedmann. Friedmann began with Einstein’s equations of general relativity and found a solution to those equations in which the universe began in a state of extremely high density and temperature (the so-called big bang) and then expanded in time, thinning out and cooling as it did so. One of the most stunning successes of the big bang theory is the prediction that the universe is approximately 10 billion years old, a result obtained from the rate at which distant galaxies are flying away from each other. This prediction accords with the age of the universe as obtained from very local methods, such as the dating of radioactive rocks on Earth.
According to the big bang theory, the universe may keep expanding forever, if its inward gravity is not sufficiently strong to counterbalance the outward motion of galaxies, or it may reach a maximum point of expansion and then start collapsing, growing denser and denser, gradually disrupting galaxies, stars, planets, people, and eventually even individual atoms. Which of these two fates awaits our universe can be determined by measuring the density of matter versus the rate of expansion. Much of modern cosmology, including the construction of giant new telescopes such as the new Keck telescope in Hawaii, has been an attempt to measure these two numbers with better and better accuracy. With the present accuracy of measurement, the numbers suggest that our universe will keep expanding forever, growing colder and colder, thinner and thinner.
General relativity may be the biggest leap of the scientific imagination in history. Unlike many previous scientific breakthroughs, such as the principle of natural selection, or the discovery of the physical existence of atoms, general relativity had little foundation upon the theories or experiments of the time. No one except Einstein was thinking of gravity as equivalent to acceleration, as a geometrical phenomenon, as a bending of time and space. Although it is impossible to know, many physicists believe that without Einstein, it could have been another few decades or more before another physicist worked out the concepts and mathematics of general relativity.

الترجمة

النسبية والكون

Alan Lightman
ترجمة المهندس/ عبدالحفيظ احمد العمري

في نوفمبر 1919أصبح ألبرت آينشتاين- وهو في الأربعين من العمر - مشهورا بين ليلة وضحاها بسبب كسوف شمس. أكدت التجربة بأن الأشعة الضوء من النجوم البعيدة حرفت بجاذبية الشمس بالقيمة تماما التي توقعها في نظريته عن الجاذبية - النسبية العامة. النسبية العامة كانت النظرية الجديدة الرئيسية الأولى للجاذبية منذ نظرية إسحاق نيوتن من قبل أكثر من 250 سنة.
آينشتاين أصبح محط الانظار وبدأ بناء الأسطورة. العناوين البارزة ظهرت في الصحف في جميع أنحاء العالم. في 8 نوفمبر 1919م- على سبيل المثال- التايمز اللندنية كان لها مقالة تحت عنوان: "ثورة في العلم / آينشتاين مقابل نيوتن." بعد يومين عناوين النيويورك تايمز البارزة تقول: "يضيء كل انحراف في السماوات / رجال العلم تقريبا متلهفون لنتائج مشاهدات الكسوف / نظرية آينشتاين تنتصر." العام فرغ من الحرب العالمية الأولى ومشتاق لبعض إشارة من بشر نبلاء وفجأة هنا كان عبقري علمي متواضع مهتم على ما يبدو فقط في المساعي الثقافية الخاصة.

جوهر الجاذبية

ماذا كانت النسبية العامة؟ نظرية آينشتاين السابقة عن الزمن والمكان- النسبية الخاصة - اقترحت بأن الزمن والمكان ليسا مطلقين. سرعة مؤشر الساعة تعتمد على حركة مراقب تلك الساعة؛ بشكل مماثل لطول "عمود الياردة" نشر في 1915 النسبية العامة التي اقترحت بأن الجاذبية- بالإضافة إلى الحركة- يمكن أن تؤثر على فترات الزمن و المكان. إن الفكرة الرئيسية للنسبية العامة - والمسماة مبدأ التكافؤ- تلك ان سحب الجاذبية في إتجاه مكافئ جدا إلى التعجيل في الإتجاه المعاكس. وأي سيارة متسارعة إلى الامام تشعر ان الجاذبية تدفعك إلى الخلف ضد كرسيك مصعد يتسارع إلى الاعلى تشعر ان الجاذبية التي تدفعك إلى الأرضية.
إذا الجاذبية مكافئة للتعجيل وإذا الحركة تؤثر على مقاييس الزمن والمكان (كما هو معروض في النسبية الخاصة) اذن يترتب على ذلك ان تعمل الجاذبية ذلك أيضا. بشكل خاص جاذبية أي كتلة مثل شمسنا لها تأثير يشوه الفضاء والزمن حولها. على سبيل المثال زوايا مثلث لن تبلغ 180 درجة ودق الساعات يبطئ أكثر بالاقتراب من كتلة جذبية مثل الشمس.
العديد من تنبؤات النسبية العامة مثل إنحناء ضوء النجوم بالجاذبية وتغيير صغير جدا في مدار كوكب عطارد أكدت بشكل كمي بالتجربة. إثنان من التنبؤات الأغرب مستحيلة أبدا للتأكد منها بشكل كامل وهي وجود الثقوب السوداء وتأثير الجاذبية على الكون ككل (كوزمولوجيا).

النجوم المنهارة

الثقب الاسود هو منطقة من الفضاء الذي قوة جاذبيته الساحبة حادة جدا بحيث لا مادة ولا ضوء أو تواصل من أي نوع يمكن أن يهرب. الثقب الاسود هكذا يبدو اسود من الخارج. (ومع ذلك الغاز حول الثقب الأسود يمكن أن يكون لامع جدا. ) يعتقد بأن الثقوب السوداء تشكلت من انهيار النجوم. طالما هي تبعث الحرارة والضوء إلى الفضاء فالنجوم قادرة على دعم نفسها ضد جاذبيتها الداخلية بالضغط الخارجي المتولد بالحرارة من التفاعلات النووية في بواطنها العميقة.
كل نجم يجب أن يستنزف وقوده النووي في النهاية. عندما يعمل ذلك سحبية جاذبيته الذاتية الغير متوازنة تسبب انهياره. طبقا للنظرية إذا أحترق نجم له كتلة أكبر من حوالي ثلاث مرات من كتلة شمسنا فكمية الضغط الإضافي لا يمكن أن تتفادى إنهيار جذبي كلي. فينهار النجم لتشكيل ثقب اسود. ان حجم الثقب الاسود الناتج يتناسب مع كتلة النجم الأصلي؛ فثقب اسود كتلته ثلاثة اضعاف كتلة شمسنا فان قطره حوالي 10 أميال. ان إحتمالية أن النجوم يمكن أن تنهار لتشكيل الثقوب السوداء كان "مكتشف" أولا نظريا في عام 1939 من قبل جي . روبرت اوبنهايمر وهارتلند سايندر الذي كانا يعالجان معادلات نسبية آينشتاين العامة. الثقب الاسود الأول يعتقد بأنه اكتشف في العالم الطبيعي مقابل العالم الرياضي على الورق كان Cygnus X-1 على بعد 7,000 سنة ضوئية من الأرض. (السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في السنة حوالي ستة تريليون ميل. ) Cygnus X-1 وجد في 1970. منذ ذلك الحين ميزت عشرات الثقوب السوداء المرشحة الممتازة. يعتقد العديد من الفلكيين والفيزيائيين الفلكيين بأن الثقوب السوداء الضخمة- ذات أحجام بحدود 10 مليون مرة قدر شمسنا- توجد في مراكز المجرات النشطة والكوازرات وهي المسئولة عن إطلاق طاقتها الهائلة .من سخرية القدر آينشتاين بنفسه لم يؤمن بوجود الثقوب السوداء بالرغم من أنهم توقعوا ذلك باستخدام نظريته.

بداية كل شيء

في بداية عام 1917م طبق آينشتاين وآخرون النسبية العامة على تركيب وتطور الكون ككل. النظرية الكونية البارزة المسماة نظرية الانفجار العظيم صاغها في عام1922م عالم الرياضيات والارصاد الروسي ألكسندر فريدمان. حيث بدأ بمعادلات آينشتاين للنسبية العامة ووجد في حل تلك المعادلات ان الكون بدأ في حالة من الكثافة ودرجة الحرارة العالية جدا (ما تسمى بالانفجار العظيم ) وبعد ذلك توسع بمرور الوقت ثم خف وبرد . إحدى أكثر النجاحات المذهلة لنظرية الانفجار العظيم التنبؤ ان عمر الكون هو10 بليون سنة تقريبا وهي نتيجة متحصله من نسبة تباعد المجرات البعيدة عن بعضها البعض. هذا التنبؤ يتوافق مع عمر الكون المتحصل عليه من الطرق المحلية نفسها مثل تأريخ الصخور المشعة على الأرض. طبقا لنظرية الانفجار العظيم الكون قد يستمر بالتوسع إلى الأبد إذا جاذبيته الداخلية ليست قوية بما فيه الكفاية لموازنة الحركة الخارجية للمجرات أو هو قد يصل إلى نقطة قصوى من التوسع وبعد ذلك يبدأ بالانهيار بتزايد اكثف و اكثف تدريجيا فيمزق المجرات والنجوم والكواكب والناس وفي نهاية المطاف يمزق حتى الذرات المفردة . هذان المصيران اللذان ينتظران كوننا يمكن أن يقرر بقياس كثافة المادة المعاكسة لمعدل التوسع. معظم علم الكون الحديث- بما في ذلك بناء المناظير الجديدة العملاقة مثل منظار Keck الجديد في هاواي- كان محاولة لقياس هذين العددين بشكل أفضل وأكثر دقة. وبالدقة الحالية للقياس فالأعداد تقترح بأن كوننا سيستمر بالتوسع إلى الأبد بتزايد ابرد وابرد واكثر تباعدا.
النسبية العامة قد تكون القفزة الأكبر للخيال العلمي في التأريخ. على خلاف العديد من التطورات العلمية الهامة السابقة مثل مبدأ الانتقاء الطبيعي أو اكتشاف الوجود الطبيعي للذرات النسبية العامة كان عندها اسس قليلة بناء على نظريات أو تجارب عن الزمن. لا أحد - ماعدا آينشتاين - كان يعتبر الجاذبية مكافئه للتعجيل و ظاهرة هندسية تقوم بحني الزمن والمكان. بالرغم من ان ذلك مستحيل معرفته فالعديد من الفيزيائيين يعتقدون بأنه بدون آينشتاين هو كان يمكن أن تكون بضعة عقود أخرى أو أكثر قبل أن ينجح فيزيائي آخر مفاهيم ورياضيات النسبية العامة.