از بین نیروهای بنیادی جهان، فقط یکی از آنها به تمام لحظات تجربه آگاهانه ما حکمرانی می کند: گرانش. نیرویی که ما را نزدیک به زمین نگه می دارد و به ماهیچه هایمان چیزی برای مقابله می دهد.

به نوعی، داستان گرانش، داستان فیزیک است. اما حتی بعد از بیش از ۴۰۰ سال مطالعه، این نیروی مبهم همچنان در قلب برخی از بزرگ ترین اسرار این رشته نهفته است.

تصویرسازی فضای بین کهکشانی

تصویرسازی از امواج گرانشی اطراف یک سامانه دوتایی

جاذبه به عنوان یک نیروی جهانی

امروزه، دانشمندان چهار نیرو را می شناسند:‌ نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف که فقط در هسته ی اتم ها فعالیت می کنند، نیروی الکترومغناطیسی که در میان ذرات باردار مانند الکترون ها، پروتون ها و یا جورابی که روی فرش کشیده می شود، وجود دارد و نیروی جاذبه که میان اجسامی که دارای جرم هستند حکمرانی می کند. سه نیروی اول تا قرن های اخیر از توجه عموم مردم به دور بودند اما مردم مدت هاست که درباره ی گرانش، که بر همه چیز اثر می گذارد، از قطرات باران گرفته تا گلوله های توپ، فکر می کنند و درباره ی آن حدس و گمان هایی می زنند. مردم، دانشمندان و فیلسوفان از گذشته می دانستند که اجرام به طور طبیعی به سمت زمین کشیده می شوند، اما برای بالا بردن جاذبه از یک تمایل غیر قابل نفوذ اشیا به پدیده ای قابل اندازه گیری و پیش بینی، به چشم اندازی جدید از آیزاک نیوتن نیاز بود.

جهش نیوتن، که در سال ۱۶۸۷ در رساله خود آن را علنی کرد، این بود که درک کند هر شی در جهان – از یک دانه شن تا بزرگ ترین ستاره ها – بر روی اجسام دیگر اثر می گذارد و هر جسم دیگری را می کشد. این مفهوم وقایعی مانند افتادن سیب ها روی زمین  تا چرخش سیارات به دور خورشید را که به ظاهر کاملا نامرتبط به نظر می رسیدند، متحد کرد. او همچنین اعدادی برای این نیرو تعیین کرد: دو برابر کردن جرم جسم نیروی کششی آن را دو برابر قوی تر خواهد کرد، همچنین مشخص کرد اگر دو جسم را دو برابر به هم نزدیک تر کنیم فشار متقابل آنها را چهار برابر می کند. نیوتن این ایده ها را در قانون جهانی گرانش خود قرار داد.

جاذبه به عنوان هندسه فضا

توصیف نیوتن از جاذبه به اندازه کافی دقیق بود تا بتواند وجود سیاره نپتون را در اواسط دهه ۱۸۰۰ میلادی، قبل از آنکه کسی بتواند آن را ببیند، کشف کند اما با این حال قانون نیوتن کامل نبود. در دهه ۱۸۰۰، ستاره شناسان متوجه شدند مدار بیضی شکل سیاره عطارد با سرعت بیشتری نسبت به آنچه نظریه نیوتن پیش بینی کرده بود به دور خورشید حرکت می کند و نشان می داد که بین قانون نیوتن و قوانین طبیعت یک عدم تطبیق جزئی وجود دارد. این پازل در نهایت توسط نظریه نسبیت عام اینشتین که در سال ۱۹۱۵ منتشر شد، حل گشت.

پیش از اینکه اینشتین نظریه پیشگامانه خود را منتشر کند، فیزیکدانان می دانستند چطور نیروی گرانشی یک سیاره را محاسبه کنند، اما درک آنها از اینکه چرا جاذبه به این شکل رفتار می کرد فقط به میزان کمی از فیلسوفان باستان فراتر رفته بود. این دانشمندان فهمیدند که همه ی اجرام همان طور که نیوتن بدیهی شمرده بود و بسیاری از دانشمندان دوره اینشتین نیز با این نتیجه موافق بودند، با نیرویی آنی و بی نهایت غیرقابل دسترس سایر اجرام را جذب می کنند. اما هنگامی که اینشتین روی نظریه نسبیت خاص خود کار می کرد به این نتیجه رسید که هیچ چیز نمی تواند به صورت آنی منتقل شود و کشش گرانش هم از این قاعده مستثنی نیست.

تصویرسازی جاذبه

تصویرسازی از جاذبه که تاروپود فضا-زمان اطراف زمین و خورشید را خم می کند

برای قرن ها، فیزیکدانان با فضا به عنوان چارچوبی خالی رفتار می کردند که تمام وقایع در آن اتفاق می افتاد. این چارچوب، مطلق و تغییر ناپذیر بود و در واقع به صورت فیزیکی وجود نداشت. نسبیت عام فضا و زمان را از یک پس زمینه ایستا به ماده ای که تا حدودی شبیه به هوا در یک اتاق است، ارتقا داد. اینشتین گفت که فضا و زمان در کنار هم تار و پود جهان را تشکیل می دهند و این فضا-زمان می تواند حالت های مختلف مانند کشش، فشرده سازی، پیچ و تاب و چرخش را به خود بگیرد. اینشتین اظهار داشت که شکل فضا-زمان است که باعث ایجاد نیرویی می شود که ما آن را به شکل جاذبه می شناسیم. تجمع جرم (یا انرژی)، مانند زمین یا خورشید، فضای اطراف خود را خم می کند، مثل یک سنگ بزرگ که جریان رودخانه را تغییر می دهد. وقتی سایر اجرام در آن نزدیکی حرکت می کنند، انحنای فضا را دنبال می کنند، همانطور که یک برگ ممکن است گرداب اطراف سنگ را در رودخانه دنبال کند ( اگرچه این مثال کاملا درست نیست، زیرا حداقل در مورد سیارات در حال چرخش به دور خورشید، فضا-زمان مانند آب جاری نیست). بنابراین حرکت سیارات و افتادن سیب از درخت نیز به این دلیل است که آنها انحنای فضا- زمان را دنبال می کنند.

جاذبه به عنوان ابزاری برای کشف

ورا روبین و کنت فورد، ستاره شناسان آمریکایی در سال ۱۹۶۰متوجه شدند که به نظر می رسد کهکشان ها می توانند به اندازه کافی سریع بچرخند که ستاره ها را بچرخانند. اما از آنجایی که کهکشان هایی که آنها بررسی کردند از یکدیگر دور نمی شدند، به نظر می رسید چیزی به آنها کمک می کند تا در کنار هم قرار بگیرند. مشاهدات فورد و روبین شواهد محکمی در حمایت از نظریه ستاره شناس سوئیسی فریتز زویکی ارائه دادند. زویکی در سال ۱۹۳۰ بیان کرد که انواع مختلفی از برخی توده های نامرئی در خوشه نزدیک کهکشان، به کهکشان ها سرعت می بخشند. اکنون اکثر فیزیکدانان گمان می کنند این ماده مرموز “ماده تاریک” است که  فضا-زمان را به اندازه کافی پیچ و تاب می دهد تا کهکشان ها و خوشه های کهکشانی سالم و دست نخورده باقی بمانند.

بیشتر بخوانید:

در فضای بین کهکشانی چه می گذرد؟

سیاهچاله های ابتدایی

منبع: www.space.com

مترجم: لیلا رضایی

اندیشمندان جوان شباهنگ

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *