چگونه خورشیدگرفتگی توانست صحت گفته اینشتین را ثابت کند؟

نسبیت عام، نظریه‌ای پذیرفته شده و بسیار موفق است که حدود ۱۰۰ سال پیش توسط آلبرت اینشتین مطرح شد. نسبیت عام، نظریه‌ای است که می‌تواند هر چیزی را توضیح دهد؛ از سیگنال‌های GPS تا اثر انتقال به سرخ گرانشی، از پدیده‌ی عدسی گرانشی گرفته تا سیاه‌چاله‌های ترکیب شونده و پالس‌های انرژی تپ‌اخترها تا مدار عطارد، همه و همه توسط نسبیت عام توضیح داده می‌شوند. پیش‌بینی‌های نسبیت عام هیچ‌گاه اشتباه نبوده‌اند و یک خطا نیز میان آن‌ها وجود نداشته است.

وقتی که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ میلادی برای نخستین‌ بار این نظریه را معرفی کرد، تمام تلاش خود را به کار گرفته بود تا آن را جایگزین نظریه‌ی گرانش نیوتن کند؛ یعنی همان نظریه‌ای که برای بیش از ۲۰۰ سال بود به چالش کشیده نشده بود و همگان آن را پذیرفته بودند. نسبیت عام پیش‌بینی می‌کرد که نور یک ستاره در مجاورت جرمی عظیم، خم می‌شود. این یک پیش‌بینی بسیار عجیب و غیرقابل آزمایش بود و به نظر می‌رسید که نمی‌تواند جایگزین مناسبی برای نظریه‌ی گرانش نیوتن باشد.

با این وجود، وقوع یک پدیده‌ی خورشید گرفتگی کامل این فرصت را به دانشمندان می‌داد تا بتوانند این پیش‌بینی عجیب را مورد آزمایش قرار دهند. خورشید گرفتگی توانست از اینشتین دفاع کند و چیزی را اثبات کند که علاقه‌مندان به رصد آسمان نیز می‌توانند به هنگام وقوع خورشید گرفتگی کامل، آن موضوع خاص را بارها و بارها برای خود تکرار کنند و به شگفتی نسبیت عام و پیش‌بینی‌های این نظریه پی ببرند.

گرانش نیوتنی که برای نخستین‌بار در سال ۱۶۸۷ میلادی توسط سِر ایزاک نیوتن معرفی شد، یک قانون بسیار ساده و قابل فهم است. گرانش نیوتنی می‌گوید:

نیروی گرانش بین دو جسم، با حاصل‌ضرب جرم این اجسام متناسب است و با توان دوم فاصله‌ی آن‌ها نسبت عکس دارد. فرقی نمی‌کند شما اجرام را در کجای جهان قرار می‌دهید، این قانون همواره برقرار است.

این قانون شگفت‌انگیز است و بر پایه معادلات ریاضی، همه چیز را توضیح می‌دهد و مشاهدات علمی نیز می‌توانند آن را اثبات کنند. گرانش نیوتنی می‌تواند همه چیز را توضیح دهد؛ از حرکات گلوله‌های توپ گرفته تا حرکات اجرام سماوی همچون سیاره‌ها، دنباله‌دارها و ستاره‌ها. پس از گذشت ۲۰۰ سال، گرانش نیوتنی همچنان می‌توانست هر آزمایشی را که برای به چالش کشیدن آن طراحی می‌شد، به راحتی پشت سر بگذارد؛ اما ناگهان یک مورد خاص، باعث شد گرانش نیوتنی به بن‌بست برسد و آن هم چیزی نبود جز حرکت دقیق درونی‌ترین سیاره‌ی منظومه شمسی.

هر سیاره‌ای در مداری بیضی شکل به دور خورشید گردش می‌کند. البته این مدار، یک بیضی کامل نیست و با هر بار گردش، به همان نقطه‌ی ثابت باز می‌گردد؛ به عبارتی، پیش‌رونده است که به آن حرکت تقدیمی نیز می‌گویند. حرکت تقدیمی مانند این است که شما شاهد چرخش این مدار بیضوی در فضا باشید؛ هرچند که این حرکت بسیار آرام خواهد بود.

تیکو براهه که ستاره‌شناسی بسیار دقیق، منظم و وسواسی بود در اواخر قرن ۱۶ میلادی یک مشاهده‌ی خارق‌العاده از سیاره‌ی عطارد به انجام رساند. پس از براهه به مدت ۳۰۰ سال، ما مشاهده‌ی دقیقی از سیاره‌ی عطارد نداشتیم و از چگونگی حرکت تقدیمی آن اطلاعات دقیقی را در دست نداشتیم. ۳۰۰ سال پس از براهه و با جمع‌آوری اطلاعات و داده‌های بیشتر، اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی انجام شدند و یک مشکل اساسی را نمایان کردند. طبق نظریه‌ی نیوتن، با توجه به اثرات اعتدالین زمینی و گرانش دیگر سیارات بر مدار سیاره عطارد، نرخ حرکت تقدیمی عطارد باید ۵.۵۵۷ ثانیه‌ی قوسی در هر قرن استوایی باشد؛ اما مشاهداتی که انجام شدند نشان می‌دادند که نرخ حرکت تقدیمی عطارد ۵.۶۰۰ ثانیه‌ی قوسی در هر قرن استوایی است. اندازه‌گیری‌ها، اختلاف ۴۳ ثانیه‌ی قوسی در هر قرن را با آن‌چه که نظریه‌ی نیوتن پیش‌بینی می‌کرد نشان دادند و این به هیچ عنوان قابل توضیح نبود.

نظریه‌ی نیوتن در این‌جا به بن‌بست رسیده بود؛ اما نظریه‌ی تازه‌نفس اینشتین کاملاً آن را توضیح می‌داد. اینشتین سال‌های زیادی از عمر خویش را روی توسعه‌ی کلیات نظریه نسبیت عام گذاشت و دیدگاه ما در مورد گرانش را به طور کلی تغییر داد. طبق نظریه جدید اینشتین، گرانش توسط اجرامی که با یکدیگر تعامل دارند ایجاد نمی‌شود؛ بلکه انرژی و ماده ساختار فضا را خم می‌کنند و سپس همه‌ی اجرام از درون این ساختار حرکت می‌کنند.

در بسیاری از شرایط گوناگون، قوانین نیوتن با آن‌چه که نسبیت عام بیان می‌کرد شباهت داشتند؛ اما تناقض‌های آن‌ها نیز قابل چشم پوشی نیست. به عنوان مثال، در فاصله‌ی بسیار کمی از اجرام بزرگ، پیش‌بینی‌های اینشتین با نیوتن اختلافات بسیاری داشتند و نمونه‌ی این اختلاف را نیز در نرخ حرکت تقدیمی سیاره‌ی عطارد مشاهده کردیم. عطارد سیاره‌ای نزدیک به جرمی بزرگ (خورشید) است و نرخ حرکت تقدیمی آن طبق نظریه‌ی اینشتین، ۴۳ ثانیه‌ی قوسی در هر قرن استوایی با آن‌چه که نیوتن می‌گفت، اختلاف دارد.

با این حال، اختلافاتی که در نرخ حرکت تقدیمی عطارد مشاهده شد، برای این‌که نظریه نیوتن کنار گذاشته شده و نظریه اینشتین جایگزین آن شود، کافی نبود. برای آن‌که یک نظریه‌ی جدید بتواند جایگزین نظریه‌ی قدیمی شود، باید شرایط زیر را داشته باشد:

۱. بتواند تمام موفقیت‌هایی را که نظریه‌ی قدیمی داشته، مجدداً به دست آورد.

۲. بتواند در جایی که نظریه‌ی قبلی شکست خورده، پیروز شود.

۳. بتواند پیش‌بینی‌های جدیدی را ارائه دهد که افرادی مثل شما و من بتوانیم آن‌ها را آزمایش کنیم و تمایز بین نظریه‌ی قدیمی و جدید را مشاهده کنیم.

نظریه‌ی اینشتین دو شرط اول را داشت؛ اما برای بررسی سومین مورد، خورشید گرفتگی به کمک آمد.

نور ستاره‌هایی که در آسمان شب مشاهده می‌شوند، راهی طولانی را از نقاط مختلف کهکشان طی کرده‌اند تا به چشم‌های ما رسیده‌اند؛ بسیاری از آن‌ها هزاران سال نوری با ما فاصله دارند. اگر حق با نیوتن باشد، باید نور این ستاره‌ها در مسیری کاملاً مستقیم حرکت کرده باشد و هیچ جرم بزرگ و کوچکی روی مسیر حرکت آن تأثیر نگذاشته باشد یا این‌که نور باید به دلیل اثرات گرانشی حاصل از هم‌ارزی جرم و انرژی، خم شود. اما نظریه‌ی اینشتین برای وقتی که نور می‌خواهد از نزدیکی یک جرم بزرگ عبور کند، دیدگاهی کاملاً متفاوت را از آن ارائه می‌دهد.

خورشید، بزرگ‌ترین جرمی است که نزدیک زمین قرار دارد و نور زیاد آن در طول روز، باعث می‌شود که ستاره‌های آسمان دیده نشوند. طبق نظریه‌ی اینشتین، وقتی که نور یک ستاره از لبه‌ی خورشید عبور می‌کند، باید در فضای خمیده‌ای که در اطراف خورشید ایجاد شده حرکت کند و همین باعث می‌شود که نور خمیده به نظر برسد. به هنگام وقوع یک خورشید گرفتگی کامل، ماه از مقابل خورشید عبور می‌کند و مانع از رسیدن نور آن به زمین می‌شود. این پدیده باعث می‌شود که آسمان، همچون شب‌ تاریک شود و ما بتوانیم ستاره‌ها را در روز نیز مشاهده کنیم. وقتی که یک ناظر زمینی به هنگام وقوع خورشید گرفتگی ستاره‌ها را مشاهده می‌کند، می‌بیند که هرچه ستاره‌ها به لبه‌ی خورشید نزدیک‌تر باشند، موقعیت آن‌ها انتقال پیدا می‌کند و در لبه‌ی خورشید، این مقدار به اوج خود می‌رسد و انتقال موقعیت ستاره‌ها، دو برابر آن چیزی است که نیوتن پیش‌بینی می‌کرد.

تصاویری که در جریان وقوع خورشید گرفتگی از خورشید به ثبت می‌رسند، نه تنها می‌توانند جزئیات کرونای این غول سرخ را آشکار کنند؛ بلکه موقعیت و حضور ستاره‌ها را در طول روز نیز به ما نشان می‌دهند. در زمان اینشتین، هیچ تصویر دقیقی از خورشید گرفتگی وجود نداشت که به اندازه‌ی کافی با کیفیت باشد تا بتوان موقعیت ستاره‌ها را از روی آن تخمین زد. همچنین خمیدگی نور یک ستاره بسیار جزئی است و برای اندازه‌گیری مقدار آن به تجهیزات حساسی نیاز داریم.

اینشتین در سال ۱۹۱۵ میلادی نظریه‌ی نسبیت عام را برای نخستین‌بار ارائه کرد و شانس بسیار کمی برای آزمایش آن وجود داشت؛ زیرا در سال ۱۹۱۶ جنگ جهانی اول شروع شد و در سال ۱۹۱۸ نیز به دلیل ابری بودن هوا، ناظران نتوانستند خورشید گرفتگی را مشاهده کنند. سرانجام در سال ۱۹۱۹ برای نخستین‌بار این فرصت فراهم آمد که دانشمندان بتوانند به صورت موفقیت آمیز، نظریه‌ی اینشتین را آزمایش کنند.

بالاخره نتایج آزمایش‌ها مشخص شدند که به نظر می‌رسید قانع کننده هستند. اینشتین درست گفته بود نظریه‌ی نسبیت عام خیلی دقیق و عمیق موضوع خمیدگی نور را پیش‌بینی کرده بود و این در حالی بود که نیوتن نتوانسته‌ بود خمیدگی نور آن ستاره‌ها را به هنگام عبور از لبه‌ی خورشید بیان کند. نتایج داده‌ها و تجزیه و تحلیل آن‌ها جنجال برانگیز بود و خیلی‌ها در برابر این نظریه‌ی جدید مقاومت می‌کردند. آرتور ادینگتون تلاش بسیاری کرد تا به مردم نشان دهد پیش‌بینی‌های اینشتین کاملاً درست هستند. خورشید گرفتگی‌های بعدی نیز نشان دادند که نسبیت عام جاهایی کارایی خود را نشان می‌دهد که قوانین نیوتن ناتوان هستند.

نتایج بررسی‌های مجدد ادینگتون نشان دادند که شواهد کافی برای پذیرفتن درستی نسبیت عام وجود دارند و دلیلی برای مخالفت با آن وجود ندارد. این موفقیت بزرگ در روزنامه‌های سرتاسر جهان منتشر شد تا مردم بدانند بشر توانسته چه دستاورد عظیمی داشته باشد.

البته امروزه فناوری‌های چند طول موجی ما بسیار پیشرفته هستند و برای آزمایش نظریه‌ی نسبیت عام و تخمین میزان خمیدگی نور، دیگر نیازی به وقوع خورشید گرفتگی کامل نداریم. اکنون تداخل سنج‌های لیزری بسیار پیشرفته می‌توانند با استفاده از امواج رادیو، میزان خمیدگی نور ستاره‌های دوردست را در طول یک سال اندازه‌گیری کنند. دقت اندازه‌گیری این تداخل سنج‌ها بی‌نظیر و قطعی است؛ آن‌ها می‌توانند میزان انحراف نور را تا یک هزارم ثانیه‌ی قوسی اندازه‌گیری کنند.

امسال در تاریخ ۲۱ آگوست یک خورشید گرفتگی رخ می‌دهد که در ایالات متحده قابل مشاهده خواهد بود. مردم برخی ایالت‌ها نیز خورشید گرفتگی کامل را تجربه خواهند کرد. در جریان وقوع خورشید گرفتگی، وقتی که ماه به طور کامل در مقابل نور خورشید ایستاد، به نزدیکی خورشید و کرونای قابل مشاهده‌ی آن نگاه کنید (با ابزار مخصوص جهت جلوگیری از آسیب چشمی). تقریباً یک درجه آن طرف‌تر از لبه‌ی ماه، شما نوری ضعیف را مشاهده خواهید کرد که در واقع نور ستاره‌ی قلب‌الاسد است که به نظر می‌رسد بسیار به خورشید نزدیک است.

وقتی که این ستاره‌ را دیدید، بدانید که به دلیل انحراف نور توسط خورشید، موقعیت واقعی آن کمی متفاوت‌تر از آن‌چه که می‌بینید خواهد بود. هرگاه آن ستاره را در جریان خورشید گرفتگی دیدید، بدانید که یک‌بار دیگر ثابت شده حق با اینشتین بوده و نیوتن اشتباه کرده است. اگر فرض را بر این بگذاریم که هیچ چیزی در مورد علم نمی‌دانیم، می‌توانیم به هنگام وقوع خورشید گرفتگی کامل، علم را با چشمان خود ببینیم.

به هنگام وقوع خورشید گرفتگی، می‌توانید با چشمان خود یکی از حقایق مهم کیهانی را ببینید؛ پس به سادگی خورشید گرفتگی را از دست ندهید.