نیروی جاذبه چیست؟
جاذبه یکی از نیروهای بنیادی جهان است و بر هر لحظه از تجربه آگاهانه ما تسلط دارد. این نیرو ما را نزدیک به زمین نگه داشته و اجسام را از ارتفاع به پایین میکشد. از فروریزش ابرهای هیدروژنی به ستارهها گرفته تا چسباندن کهکشانها به یکدیگر، جاذبه یکی از معدود عواملی است که روند کلی تکامل جهان را تعیین میکند.
از برخی جهات، داستان جاذبه، داستان فیزیک نیز هست، جایی که برخی از بزرگترین نامهای این رشته با تعریف نیرویی که بر زندگیشان حاکم بوده، به شهرت رسیدهاند. اما حتی پس از بیش از ۴۰۰ سال مطالعه، این نیروی مرموز هنوز در قلب برخی از بزرگترین اسرار این رشته قرار دارد.
چهار نیروی بنیادی هر روز بر ما اثر میگذارند. نیروی قوی و نیروی ضعیف فقط در داخل مراکز اتمها عمل میکنند. نیروی الکترومغناطیسی بر اجسامی با بار اضافی (مانند الکترونها، پروتونها) حکم میراند و جاذبه، اجسام دارای جرم را هدایت میکند. سه نیروی اول تا قرنهای اخیر عمدتاً از توجه بشریت دور مانده بودند، اما مردم مدتهاست که در مورد جاذبه گمانهزنی میکنند.
فیلسوفان یونان و هند باستان مشاهده کردند که اجسام به طور طبیعی به سمت زمین حرکت میکنند، اما تنها با اندکی بینش از سوی آیزاک نیوتن، جاذبه از یک گرایش مرموز در اجسام به یک پدیده قابل اندازهگیری و پیشبینی ارتقا یافت.
جهش نیوتن که در رساله «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» در سال ۱۶۸۷ منتشر شد، این بود که وی متوجه شد هر جسمی در جهان از یک دانه شن گرفته تا بزرگترین ستارگان، هر جسم دیگری را میکشد. این مفهوم، رویدادهایی را که به نظر بیربط میآمدند، از سیبهایی که روی زمین میافتادند تا سیاراتی که به دور خورشید میچرخیدند، مرتبط میکرد. او همچنین برای جاذبه اعدادی در نظر گرفت: او تعیین کرد که دو برابر کردن جرم یک جسم، نیروی کشش آن را دو برابر میکند و نزدیک کردن دو جسم به هم، نیروی کشش متقابل آنها را چهار برابر میکند. نیوتن این ایدهها را در قانون جهانی جاذبه خود گنجانید.
جاذبه چگونه کار میکند؟
این سوالی بی پرده با پاسخی عمیق است. نیوتن در پاسخ به ما کار فوقالعادهای انجام داد و قانون گرانش جهانی که در بالا به آن اشاره شد را بیان کرد. آنقدر خوب که ما ثابت تناسب را «ثابت جاذبه نیوتن» مینامیم و آن را نماد GN یا به اختصار فقط G مینویسیم. در فرم معادله، نیروی جاذبه F بین دو جسم را به صورت F = Gm1m2/r^2 مینویسم، که در آن m1 و m2 دو جرم هستند و r فاصله بین مراکز آنهاست.
برخلاف g (با حرف کوچک) که با موقعیت مکانی شما تغییر میکند، به نظر میرسد G یک ثابت طبیعت است که در هر مکان و هر زمان یکسان است. مردم زمان زیادی را صرف تلاش برای اندازهگیریهای بسیار دقیق G میکنند، اما این ثابت طبیعت، که تنها حدود ۲۰ قسمت در میلیون از آن شناخته شده و ضعیفترین اندازهگیری را دارد.
بنابراین قانون جاذبه نیوتن توصیف بسیار بسیار خوبی از نحوه عملکرد جاذبه در اکثر شرایط است. این قانون تقریباً برای هر کاری که در زندگی روزمره انجام میدهیم، کافی است. نکته شگفتانگیز این است که این قانون همچنین به اندازه کافی خوب بود تا هر چیزی را که ستارهشناسان در مورد مدار سیارات و قمرها یاد میگرفتند، توضیح دهند.
این انگیزهی مشاهدهای بود که منجر به نظریه نسبیت عام (General Relativity) آلبرت انیشتین شد، البته نسبیت عام برداشت کاملاً متفاوتی از ماهیت جاذبه دارد و در واقع، برداشتی کاملاً متفاوت از ماهیت فضا و زمان است. براساس نظریه قبلی انیشتین که با عنوان نسبیت خاص شناخته میشود فضا و زمان به شکلی که ما معمولاً در مورد آنها فکر میکنیم و به شکلی که دانشمندان تا آن زمان با آنها برخورد میکردند، از هم جدا نیستند. آنها بخشی از یک مفهوم ترکیبی به نام فضا-زمان هستند.
طبق نظریه نسبیت عام، فضا (و زمان) نیز «ایستا» نیستند. در زندگی عادی، ما فضا را مانند یک صحنه غولپیکر میدانیم که سیارات و ستارگان روی آن حرکت میکنند. بنابراین، طبق تصویر عادی ما، فضا تغییر نمیکند. نظریه نسبیت عام این را کاملاً برعکس میکند. میگوید که در واقع فضا (زمان) در پاسخ به حضور اشیاء (یعنی جرم و انرژی) در آن تغییر میکند. این تغییرات به شکل تغییراتی در هندسه ظاهر میشوند. قوانین هندسهای که ما در مدرسه یاد میگیریم، به نام هندسه اقلیدسی، دقیقاً درست نیستند زیرا فضا (زمان) اقلیدسی یا مسطح نیست، بلکه منحنی بوده و انحنای آن از مکانی به مکان دیگر و از زمانی به زمان دیگر متغیر است.
سپس انیشتین به ما میگوید که اشیاء در آن هندسه فضا-زمانِ خمیده، حرکت میکنند. آنچه ما به عنوان اثرات جاذبه (مثلاً روی اجسام در حال سقوط) درک میکنیم، در واقع حرکت اشیاء در فضا-زمان خمیده است. بنابراین انیشتین میگوید اگر من یک توپ را از زمین بازی به سمت بازیکنی پرتاب کنم و ببینم که یک مسیر قوس را دنبال میکند، آنچه واقعاً اتفاق میافتد این است که زمین فضا-زمان اطراف خود را خمیده کرده و توپ مسیر مستقیمی را در آن فضا-زمان خمیده از بازیکن اول تا بازیکن بعدی دنبال میکند.
یک مثال خوب برای درک این موضوع، تصور یک ورق کشسان است که در یک قاب کشیده شده و شما یک توپ بولینگ را در مرکز آن قرار میدهید و سپس بر اثر وزن توپ ورق کشیده میشود. سپس تیلهها را روی سطح ورق کشسان خمیده میغلتانید. با مشاهده تیلهها به نظر میرسد که آنها در مسیرهای منحنی حرکت میکنند، اما در واقع، آنها در هندسه ورق منحنی، در مسیرهای مستقیم هستند.
بیشتر بخوانید: فضا-زمان چیست؟
نیروی جاذبه زمین چیست و چگونه میتوانیم آن را تشخیص دهیم؟
هنگامی که روی ترازو میایستید، در حال اندازهگیری نیروی جاذبه زمین بر روی خود هستید که به آن مقدار، وزن اطلاق میشود. اتفاقی که وقتی روی ترازو میروید، میافتد این است که ترازو نیروی جاذبه زمین را بر روی شما با نیروی فنرهایی که به سمت بالا فشار میآورند، متعادل میکند. هر چه فنر را بیشتر فشرده کنید، فنر با شدت بیشتری به سمت بالا فشار میآورد، نمایشگر روی ترازو نشان میدهد که فنرها چقدر فشار میآورند.
راه دیگری هم برای اندازهگیری نیروی جاذبه وجود دارد؛ با رها کردن چیزی مانند یک توپ، و دیدن اینکه چقدر شتاب میگیرد. نیوتن توضیح داد که F=ma میباشد، این قانون دوم حرکت نیوتن است. در اینجا F یک نیرو است که در این مورد نیروی جاذبه روی توپ میباشد؛ m جرم توپ و a شتاب توپ است. بنابراین اگر شتاب توپ و جرم توپ را اندازهگیری کنیم، آنگاه نیروی جاذبه روی توپ را به دست میآوریم.
جالب اینجاست که مهم نیست چه چیزی را رها کنیم، اگر بتوانیم اثر مقاومت هوا را نادیده بگیریم میبینیم که با همان شتاب سقوط میکند: تقریباً ۹٫۸ متر بر مجذور ثانیه. این مقدار ثابت g نامیده میشود، که عبارت از شتاب ناشی از جاذبه است. افسانه معروفی وجود دارد که گالیله آن را با رها کردن اجسام از برج کج پیزا نشان میداد. مقدار g میگوید که نیروی جاذبه متناسب با جرم جسم است. این کشف چنان مهم است که فیزیکدانان آن را اصل هم ارزی مینامند. نیروی جاذبه زمین بر روی سطح زمین برابر با mg است، که در آن m جرم جسم و g برابر با ۹٫۸ متر بر مجذور ثانیه است.
بنابراین نیروی جاذبه بر روی زمین شتابی تقریباً برابر با ۹٫۸ متر بر مجذور ثانیه دارد. در واقع، شتاب g واقعاً ثابت نیست، پاسخ به این بستگی دارد که شما چقدر از مرکز زمین فاصله دارید و مقدار آن در نزدیکی قطب شمال و جنوب کمی بیشتر و در نزدیکی خط استوا کمی کمتر است.
نیوتن این معادله را در دهه ۱۶۰۰ میلادی فهمیده بود! قانون گرانش جهانی او، به ما آموخت که: در جهان هر ذره، هر ذره دیگر را با نیرویی متناسب با حاصلضرب جرمهایشان و با عکس مجذور فاصله بین مراکزشان جذب میکند. در این مورد آن دو ذره، زمین و توپ هستند.
آیا جاذبه بر زمان تأثیر میگذارد؟
بله. برای مثال، ساعتها در نزدیکی یک جسم عظیم، کندتر از ساعتهای دورتر از آن جسم حرکت میکنند. به عبارت دیگر، اگر دو ساعت بسیار دقیق و یکسان داشته باشید و یکی را در آزمایشگاهی در سطح دریا و دیگری را در کوهی مرتفع قرار دهید، متوجه خواهید شد که ساعت همسطح دریا کندتر از ساعت روی کوه کار میکند.
۲ ستارهشناس آمریکایی با به نام ورا روبین (Vera Rubin) و کنت فورد (Kent Ford)، در دهه ۱۹۶۰ متوجه شدند که کهکشانها آنقدر سریع میچرخند تا ستارهها را از خود دور کنند. اما از آنجایی که کهکشانهایی که آنها مطالعه کردند از هم جدا نمیشدند، به نظر میرسید چیزی به آنها کمک میکند تا به هم بچسبند. مشاهدات کامل روبین و فورد شواهد محکمی را در حمایت از نظریه قبلی ستارهشناس سوئیسی فریتز زوئیکی (Fritz Zwicky)، که در دهه ۱۹۳۰ ارائه شده بود، ارائه داد. مبنی بر اینکه نوعی جرم نامرئی، سرعت کهکشانها را در یک خوشه نزدیک افزایش میدهد. اکنون اکثر فیزیکدانان گمان میکنند که این ماده اسرارآمیز که فضا-زمان را به اندازه کافی خم میکند تا کهکشانها و خوشههای کهکشانی را دست نخورده نگه دارد، ماده تاریک میباشد. با این حال، برخی دیگر این سوال را مطرح میکنند که آیا خود گرانش ممکن است در مقیاسهای کهکشانی شدیدتر عمل کند، که در این صورت معادلات نیوتن و انیشتین نیاز به بازنویسی دارند.
اصطلاحات نسبیت عام بسیار ظریف و پیچیده هستند، زیرا محققان اخیراً شروع به شناسایی یکی از ظریفترین پیشبینیهای این نظریه کردهاند: وجود امواج گرانشی یا موجهایی در فضا-زمان که ناشی از شتاب گرانشی اجرام در فضا است. در سال ۲۰۱۶، یک همکاری تحقیقاتی توسط سه آشکارساز در ایالات متحده و اروپا، امواج گرانشی متعددی را که از زمین عبور میکردند، اندازهگیری کرد. البته آشکارسازیهای بیشتری در راه هستند و عصر جدیدی از نجوم را آغاز میکنند که در آن محققان سیاهچالهها و ستارههای نوترونی را دوردستها نه از طریق نوری که ساطع میکنند، بلکه از طریق نحوهی ایجاد لرزش در بافت فضا هنگام برخورد به یکدیگر، مطالعه میکنند!
.
بیشتر بخوانید: ماده تاریک چیست؟ بررسی تاریخچه و ماهیت آن