رأينا بالفعل، من خلال مبدأ التكافؤ كيف أن العجلة والجاذبية ينتجان تأثيرات متكافئة على حركة الأجسام المختلفة على غرار المطرقة والريشة. لكن ماذا عن حركة شعاع الضوء؟ نحن معتادون على فكرة أن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة، لكن هل يصح هذا تحت تأثير الجاذبية، أو في إطار مرجعي متسارع؟

لاستكشاف الأمر، تخيل تجربة أخرى تتضمن مصدرًا نابضًا للضوء وهدفًا. موضوعين على متن مركبة فضائية حيث ينطلق شعاع الضوء بزاوية عمودية على اتجاه حركة المركبة.

حين تكون المركبة ساكنة، وبعيدة عن أي مصدر للجاذبية – أو بمعنى آخر: لو كانت في حالة سقوط حر – فإنها تمثل إطارًا مرجعيًّا قصوريًا. وفي هذه الظروف، ينتقل شعاع الضوء –  كالمتوقع – في خط مستقيم نحو الهدف، كما يوضح الشكل 2-5(أ). لكن الآن افترض أنه في اللحظة التي انطلقت فيها نبضة الضوء من المصدر، دارت محركات المركبة وتسارعت المركبة إلى الأمام. من منظور مسؤول المراقبة الموجود على الأرض، تتبع نبضة الضوء مجددًا المسار عينه بالضبط؛ أي تسير في خط مستقيم في نفس الاتجاه كالسابق. لكن حين تبلغ الحائط المقابل، تكون المركبة قد تحركت إلى الأمام، وبهذا لا يكون الهدف مواجهًا على نحو مباشر للمصدر الذي انطلقت منه النبضة. بعبارة أخرى سيرى مسؤول المراقبة النبضة وهي تصيب نقطة إلى الوراء قليلا من المكان الموجود فيه الهدف الآن.

لكن ما الذي يراه رائد الفضاء في الوقت ذاته؟ هذا موضح على الشكل 2-5 (ب). تبدأ النبضة رحلتها في اتجاه الهدف، لكن لكي تضرب الحائط المقابل في نقطة إلى الوراء قليلًا من الهدف سيكون عليها أن تنحرف عن الخط المستقيم، وأن تتبع مسارًا منحنيا.

شكل 2-5: عندما تكون المركبة الفضائية في حالة سقوط حر، الحالة (أ)، فإن نبضة الضوء الموجهة جانبيًا عبر المركبة تنتقل في خط مستقيم وصولاً إلى هدفها على الحائط المقابل، لكن عندما تخضع المركبة لتأثير العجلة (أي عندما تتسارع)، الحالة (ب)، تبدو النبضة لرائد الفضاء وكأنها تتبع مسارًا منحنيًا، بحيث تصيب الحائط المقابل بالقرب من الهدف.

لو أننا استعضنا عن العجلة (التسارع) بمجال جاذبية مكافئ؛ بحيث يعتبر الحائط الخلفي للمركبة بمثابة «الأرضية» مجددًا والمقدمة المخروطية بمثابة «السقف»، فإن رائد الفضاء سيخلص إلى أن نبضة الضوء «سقطت» في اتجاه الأرضية، شأنها شأن أي جسم آخر يُطلق عبر المركبة في اتجاه الهدف لكن ينتهي به الحال وقد سقط ناحية أرضيتها؛ ومن ثم يخطئ الهدف.

من هذه الملاحظة لنا أن نتوقع أن أشعة الضوء ستتبع مسارات منحنية في مجالات الجاذبية، وأن الضوء سينثني. في الواقع، كان هذا هو التنبؤ الذي خرج به أينشتاين في عام 1915 بينما كان يعمل في برلين إبان الحرب العالمية الأولى. خرجت أنباء عن أفكاره من ألمانيا ووصلت إلى مسامع العالم البريطاني آرثر إدنجتون الموجود في كامبريدج. وفي مايو عام 1919، بعد انتهاء الحرب بستة أشهر، أثبت إدنجتون صحة نظرية أينشتاين من خلال واحدة من أشهر التجارب على الإطلاق. كانت فكرة التجربة هي ملاحظة المواضع الطبيعية للنجوم في منطقة معينة من السماء ليلا، ثم قياس مواضعها ثانية حين تكون الشمس ساطعة حين تكون الشمس ساطعة سيمر ضوء النجوم بالقرب من الشمس كي يصلنا؛ ومن ثم سيعبر مجال جاذبية الشمس. عندئذ سيتبع الضوء مسارا منحنيا، وإلى أن يتم رصده سيبدو وكأنه آت من اتجاه مختلف عن اتجاهه الأصلي. هذا بدوره سيعطي انطباعًا بأن مواضع النجوم قد تغيرت عن مواضعها المعتادة، وذلك كما يبين الشكل 2-6 بطبيعة الحال من المشكلات التي ستواجهنا في عملية الرصد هذه أن سطوع الشمس من شأنه في المعتاد أن يحول دون رؤية النجوم؛ ولذلك السبب أجريت عملية الرصد خلال كسوف كلي للشمس. كان التأثير المراد رصده طفيفًا للغاية؛ ولا يتجاوز انحرافا قدره 1.75 ثانية قوسية (أي بضعة أجزاء على العشرة آلاف جزء من الدرجة). لكن إدنجتون نجح في التحقق تجريبيا من صحة هذا التنبؤ.

شكل 2-6: مسار الضوء الآتي من نجم بعيد يتغير بينما يمر بجوار الشمس. وإلى أن يصل إلى الراصد، سيبدو وكأنه آت من موضع مختلف من السماء، وسيبدو الموضع الظاهري للنجم وكأنه قد تغير.

هذه التجربة، إلى جانب غيرها من التجارب التي أجريت خلال مواقف الكسوف الشمسي، خرجت بقياسات لهذا التأثير في حدود دقة لا تتجاوز العشرين بالمائة. لكن خلال الفترة بين عامي 1989 و1993، تمكن التليسكوب هيبارخوس التابع لوكالة الفضاء الأوروبية من إجراء قياسات عالية الدقة لمواضع النجوم. ولأن هذا التليسكوب كان فوق الغلاف الجوي للأرض، فقد كانت النجوم مرئية له طوال الوقت، ولم يك ثمة حاجة لانتظار كسوف شمسي. وقد تأكد حدوث انحناء الضوء حتى حدود دقة قدرها 0.7%. وبينما كان على القياسات الأرضية أن تركز على ضوء النجوم الذي يمس حافة الشمس، حيث تكون الجاذبية في أقوى صورها، تمكّن هيبارخوس من رصد انحناء الضوء حتى لتلك النجوم الواقعة بزاوية قدرها 90 درجة على اتجاه الشمس.

يأخذنا انحناء الضوء إلى ظاهرة مثيرة للاهتمام تُدعى «عدسة الجاذبية». فليست الشمس وحدها، بل المجرة أيضًا – وفي واقع الأمر العناقيد المجرية – يمكنها أن تكون مصدرًا للجاذبية، بحيث تحني وتشوه الضوء الآتي من الأجرام الساطعة البعيدة الواقعة خلفها. ففي عام ،1979، رصد ما يبدو كأنه نجمان زائفان (كوازار) قريبان أحدهما من الآخر (النجوم الزائفة هي مصادر شديدة السطوع للضوء موجودة في مجرات ضخمة حديثة التكون). لكن اتضح أن الصورتين للنجم الزائف نفسه؛ إذ إن الضوء القادم من هذا النجم الزائف تعرض للتشويه بواسطة مجرة تقع على امتداد خط الرؤية إليه، وبهذا عملت هذه المجرة المتداخلة عمل العدسة؛ بحيث سببت انحناء ضوء النجم الزائف ولو كان مصدر الضوء والمجرة المسببة للعدسة ونحن على الخط نفسه بالضبط، فسيلتف الضوء القادم من المصدر على نحو منتظم حول المجرة محدثًا حلقة، ويطلق عليها أحيانًا حلقة أينشتاين. لكن هذا هو الموقف المثالي. فبسبب الانحراف قليلا عن خط الرؤية، ولكون المجرة المسببة للعدسة غير منتظمة كرويًّا، عادةً ما نرى صورًا مشوهة وصورًا متعددة لمصدر الضوء. هذا يطلق عليه عدسة الجاذبية القوية، وإلى وقتنا الحالي يوجد ما يربو على المائة مثال عليها إضافة إلى ذلك، هناك العدسية الدقيقة، التي تحدث عندما يعمل نجم وحيد عمل العدسة للضوء القادم من نجم آخر بعيد موجود على نفس خط الرؤية الخاص به في مثل هذه الحالات، نرى الضوء القادم من المصدر وقد سطع فجأة لوهلة بينما كان يمر بخط الرؤية الخاص بالنجم المتداخل إذ يعمل الأخير عمل العدسة المكبرة. في الواقع، كشفت عمليات تضخيم كهذه في عام 2004 عن أن النجم البعيد يدور حوله كوكب يبلغ حجمه مرة ونصف قدر حجم المشتري. وكان هذا أول كوكب من الكواكب الموجودة خارج المجموعة الشمسية يكتشف بهذه الطريقة.

جدير بالذكر أن نيوتن تنبأ منذ زمن بعيد بأن من شأن الضوء أن ينحني في أي مجال جاذبية، وإن كان هذا على أسس مختلفة تمامًا عن تلك التي بنى عليها أينشتاين تنبؤه. فقد بنى نيوتن فكرته على النظرية الجسيمية للضوء، التي تقضي بأن الضوء يتألف من تيار من الجسيمات الدقيقة التي تنتقل بسرعة الضوء. وفي ظل تلك الظروف، لنا أن نتوقع أن هذه الجسيمات ستنجذب نحو الشمس؛ ومن ثَم تنحرف عن مسارها. إلا أن مقدار الانحراف هذا يبلغ نصف المقدار الذي تتنبأ به نظرية أينشتاين، والذي تم التحقق منه تجريبيٍّا. ليس هذا وحسب، بل إن النظرية الجسيمية التي اعتنقها نيوتن كانت تتعارض مع النظرية الموجية في وصف الكيفية التي ينتقل بها الضوء عبر الفضاء.