जब हम गुरुत्वाकर्षण के बारे में सोचते हैं, तो हम आम तौर पर इसे द्रव्यमान के बीच एक बल के रूप में सोचते हैं। जब आप पैमाने पर कदम रखते हैं, उदाहरण के लिए, पैमाने पर संख्या आपके द्रव्यमान पर पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव का प्रतिनिधित्व करती है, जिससे आपको वजन मिलता है। ग्रहों को उनकी कक्षाओं में पकड़े हुए सूर्य के गुरुत्वाकर्षण बल या ब्लैक होल के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव की कल्पना करना आसान है। बल को धक्का और खींच के रूप में समझना आसान है।
लेकिन अब हम समझते हैं कि बल के रूप में गुरुत्वाकर्षण सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत का वर्णन करने वाली एक अधिक जटिल घटना का केवल एक हिस्सा है। जबकि सामान्य सापेक्षता एक सुंदर सिद्धांत है, यह एक बल के रूप में गुरुत्वाकर्षण के विचार से एक कट्टरपंथी प्रस्थान है। जैसा कि कार्ल सागन ने एक बार कहा था, 'असाधारण दावों के लिए असाधारण साक्ष्य की आवश्यकता होती है,' और आइंस्टीन का सिद्धांत एक बहुत ही असाधारण दावा है। लेकिन यह पता चला है कि कई असाधारण प्रयोग हैं जो अंतरिक्ष और समय की वक्रता की पुष्टि करते हैं।
सामान्य सापेक्षता की कुंजी इस तथ्य में निहित है कि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में सब कुछ एक ही दर पर गिरता है। चंद्रमा पर खड़े हो जाओ और एक हथौड़ा और एक पंख गिरा दो, और वे करेंगे एक ही समय में सतह से टकराएं . किसी भी वस्तु के द्रव्यमान या भौतिक बनावट की परवाह किए बिना भी यही सच है, और इसे तुल्यता सिद्धांत के रूप में जाना जाता है।
चूँकि सब कुछ अपने द्रव्यमान की परवाह किए बिना एक ही तरह से गिरता है, इसका मतलब है कि बिना किसी बाहरी संदर्भ के, गुरुत्वाकर्षण स्रोतों से दूर एक मुक्त-तैरने वाला पर्यवेक्षक और एक विशाल शरीर के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में एक मुक्त-गिरने वाले पर्यवेक्षक के पास समान अनुभव होता है। . उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष स्टेशन में अंतरिक्ष यात्री ऐसे दिखते हैं जैसे वे गुरुत्वाकर्षण के बिना तैर रहे हों। दरअसल, अंतरिक्ष स्टेशन पर पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण खिंचाव लगभग उतना ही मजबूत है जितना कि सतह पर। अंतर यह है कि अंतरिक्ष स्टेशन (और उसमें सब कुछ) गिर रहा है। अंतरिक्ष स्टेशन कक्षा में है, जिसका अर्थ है कि यह सचमुच पृथ्वी के चारों ओर गिर रहा है।
अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पृथ्वी की परिक्रमा कर रहा है। क्रेडिट: नासा
तैरने और गिरने के बीच यही समानता आइंस्टीन ने अपने सिद्धांत को विकसित करने के लिए इस्तेमाल की थी। सामान्य सापेक्षता में, गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान के बीच एक बल नहीं है। इसके बजाय गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान की उपस्थिति में अंतरिक्ष और समय के युद्ध का प्रभाव है। उस पर कोई बल कार्य किए बिना, कोई वस्तु एक सीधी रेखा में गति करेगी। यदि आप कागज़ की एक शीट पर एक रेखा खींचते हैं, और फिर कागज को मोड़ते या मोड़ते हैं, तो रेखा अब सीधी नहीं दिखाई देगी। इसी प्रकार किसी वस्तु का सीधा मार्ग स्थान और समय के मुड़ने पर मुड़ जाता है। यह बताता है कि सभी वस्तुएँ समान दर से क्यों गिरती हैं। गुरुत्वाकर्षण स्पेसटाइम को एक विशेष तरीके से विकृत करता है, इसलिए सभी वस्तुओं के सीधे रास्ते पृथ्वी के पास उसी तरह मुड़े हुए हैं।
तो किस तरह का प्रयोग संभवतः साबित कर सकता है कि गुरुत्वाकर्षण स्पेसटाइम विकृत है? एक इस तथ्य से उपजा है कि प्रकाश को पास के द्रव्यमान से विक्षेपित किया जा सकता है। अक्सर यह तर्क दिया जाता है कि चूंकि प्रकाश का कोई द्रव्यमान नहीं होता है, इसलिए इसे किसी पिंड के गुरुत्वाकर्षण बल द्वारा विक्षेपित नहीं किया जाना चाहिए। यह बिलकुल सही नहीं है। चूँकि प्रकाश में ऊर्जा होती है, और विशेष सापेक्षता के अनुसार द्रव्यमान और ऊर्जा बराबर होती है, न्यूटन का गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि प्रकाश पास के द्रव्यमान से थोड़ा विक्षेपित होगा। अंतर यह है कि सामान्य सापेक्षता भविष्यवाणी करती है कि इसे दो बार जितना अधिक विक्षेपित किया जाएगा।
इलस्ट्रेटेड लंदन न्यूज (1919) से एडिंगटन के प्रयोग का विवरण।
प्रभाव पहली बार 1919 में आर्थर एडिंगटन द्वारा देखा गया था। एडिंगटन ने कुल ग्रहण की तस्वीर लेने के लिए पश्चिम अफ्रीका के तट पर प्रिंसिपे द्वीप की यात्रा की। उसने कुछ समय पहले आकाश के इसी क्षेत्र की तस्वीरें ली थीं। ग्रहण की तस्वीरों और उसी आकाश की पिछली तस्वीरों की तुलना करके, एडिंगटन सूर्य के निकट होने पर सितारों की स्पष्ट स्थिति को स्थानांतरित करने में सक्षम था। विक्षेपण की मात्रा आइंस्टीन से सहमत थी, न्यूटन से नहीं। तब से हमने एक समान प्रभाव देखा है जहां दूर के क्वासर और आकाशगंगाओं का प्रकाश निकटवर्ती द्रव्यमान द्वारा विक्षेपित होता है। इसे अक्सर गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग के रूप में जाना जाता है, और इसका उपयोग आकाशगंगाओं के द्रव्यमान को मापने के लिए किया जाता है, और यहां तक कि डार्क मैटर के प्रभावों को भी देखा जाता है।
साक्ष्य का एक और टुकड़ा समय-विलंब प्रयोग के रूप में जाना जाता है। सूर्य का द्रव्यमान उसके पास के स्थान को विकृत करता है, इसलिए सूर्य के पास से गुजरने वाला प्रकाश पूरी तरह से सीधी रेखा में यात्रा नहीं करता है। इसके बजाय यह थोड़े घुमावदार रास्ते के साथ यात्रा करता है जो कि थोड़ा लंबा है। इसका मतलब है कि पृथ्वी से सौर मंडल के दूसरी तरफ एक ग्रह से प्रकाश हम तक थोड़ी देर बाद पहुंचता है, जितना हम अन्यथा उम्मीद करते हैं। इस समय की देरी का पहला माप 1960 के दशक के अंत में इरविन शापिरो द्वारा किया गया था। जब दोनों ग्रह सूर्य के लगभग विपरीत दिशा में थे, तब पृथ्वी से शुक्र से रेडियो सिग्नल बाउंस हो गए थे। सिग्नल की राउंड ट्रिप की मापी गई देरी लगभग 200 माइक्रोसेकंड थी, जैसा कि सामान्य सापेक्षता द्वारा भविष्यवाणी की गई थी। यह प्रभाव अब शापिरो समय विलंब के रूप में जाना जाता है, और इसका मतलब है कि प्रकाश की औसत गति (यात्रा के समय के अनुसार निर्धारित) प्रकाश की तात्कालिक गति (हमेशा स्थिर) से थोड़ी धीमी है।
तीसरा प्रभाव गुरुत्वाकर्षण तरंगें हैं। यदि तारे अपने चारों ओर अंतरिक्ष को ताना देते हैं, तो बाइनरी सिस्टम में तारों की गति से स्पेसटाइम में लहरें पैदा होनी चाहिए, ठीक उसी तरह जैसे पानी में अपनी उंगली घुमाने से पानी की सतह पर लहरें पैदा हो सकती हैं। जैसे ही गुरुत्वाकर्षण तरंगें तारों से दूर जाती हैं, वे बाइनरी सिस्टम से कुछ ऊर्जा निकाल लेती हैं। इसका मतलब यह है कि दो तारे धीरे-धीरे एक-दूसरे के करीब आ जाते हैं, एक ऐसा प्रभाव जो प्रेरक के रूप में जाना जाता है। जैसे-जैसे दो तारे प्रेरणा देते हैं, उनकी कक्षीय अवधि कम होती जाती है क्योंकि उनकी कक्षाएँ छोटी होती जा रही हैं।
भविष्यवाणी (धराशायी वक्र) की तुलना में पल्सर अवधि का क्षय। लेखक द्वारा प्लॉट किए गए हल्स और टेलर का डेटा।
नियमित बाइनरी सितारों के लिए यह प्रभाव इतना छोटा है कि हम इसका निरीक्षण नहीं कर सकते हैं। हालाँकि 1974 में दो खगोलविदों (हुल्स और टेलर) ने एक दिलचस्प पल्सर की खोज की। पल्सर तेजी से घूमने वाले न्यूट्रॉन तारे हैं जो हमारी दिशा में रेडियो दालों को विकीर्ण करने के लिए होते हैं। पल्सर की पल्स दर आमतौर पर बहुत, बहुत नियमित होती है। हल्स और टेलर ने देखा कि इस विशेष पल्सर की दर थोड़ी तेज हो जाएगी और नियमित दर से थोड़ी धीमी हो जाएगी। उन्होंने दिखाया कि यह भिन्नता पल्सर की गति के कारण थी क्योंकि यह एक तारे की परिक्रमा करता था। वे एक सेकंड के एक अंश के भीतर इसकी कक्षीय अवधि की गणना करते हुए, पल्सर की कक्षीय गति को बहुत सटीक रूप से निर्धारित करने में सक्षम थे। जैसा कि उन्होंने वर्षों से अपने पल्सर को देखा, उन्होंने देखा कि इसकी कक्षीय अवधि धीरे-धीरे कम हो रही थी। भविष्यवाणी के अनुसार गुरुत्वाकर्षण तरंगों के विकिरण के कारण पल्सर प्रेरक है।
ग्रेविटी प्रोब बी का चित्रण। क्रेडिट: ग्रेविटी प्रोब बी टीम, स्टैनफोर्ड, नासा
अंत में एक प्रभाव होता है जिसे फ्रेम ड्रैगिंग के रूप में जाना जाता है। इसका असर हमने पृथ्वी के पास ही देखा है। क्योंकि पृथ्वी घूम रही है, यह न केवल अपने द्रव्यमान से अंतरिक्ष-समय को घुमाती है, बल्कि अपने घूर्णन के कारण अंतरिक्ष-समय को अपने चारों ओर घुमाती है। स्पेसटाइम के इस घुमाव को फ्रेम ड्रैगिंग के रूप में जाना जाता है। प्रभाव पृथ्वी के पास बहुत बड़ा नहीं है, लेकिन इसे लेंस-थिरिंग प्रभाव के माध्यम से मापा जा सकता है। मूल रूप से आप एक गोलाकार जाइरोस्कोप को कक्षा में रखते हैं, और देखते हैं कि क्या इसके घूमने की धुरी बदल जाती है। यदि कोई फ्रेम ड्रैगिंग नहीं है, तो जाइरोस्कोप का ओरिएंटेशन नहीं बदलना चाहिए। यदि फ्रेम खींच रहा है, तो अंतरिक्ष और समय के सर्पिल मोड़ के कारण जाइरोस्कोप आगे बढ़ेगा, और समय के साथ इसका उन्मुखीकरण धीरे-धीरे बदल जाएगा।
गुरुत्वाकर्षण जांच बी परिणाम। श्रेय: ग्रेविटी प्रोब बी टीम, नासा।
हमने वास्तव में यह प्रयोग गुरुत्वाकर्षण जांच बी नामक उपग्रह के साथ किया है, और आप यहां दिए गए आंकड़े में परिणाम देख सकते हैं। जैसा कि आप देख सकते हैं, वे बहुत अच्छी तरह सहमत हैं।
इनमें से प्रत्येक प्रयोग से पता चलता है कि गुरुत्वाकर्षण केवल द्रव्यमान के बीच एक बल नहीं है। गुरुत्वाकर्षण स्थान और समय का प्रभाव है। गुरुत्वाकर्षण ब्रह्मांड के आकार में निर्मित है।
अगली बार जब आप किसी पैमाने पर कदम रखेंगे तो उस पर विचार करें।
