تئوری های گرانش

گرانش، نیروی جاذبه ای است که بین همه اجرام، به خاطر جرمشان، وجود دارد. جرم یک جسم مقدار ماده آن است. به دلیل وجود گرانش، جرمی که در نزدیک زمین قرار گیرد به سمت سطح این سیاره سقوط می کند. جرمی که در سطح زمین است نیز نیروی به سمت پایین را به دلیل گرانش تجربه می کند. ما این نیرو را در بدن خود به شکل وزن تجربه می کنیم. گرانش، گازهای تشکیل دهنده ی خورشید را در کنار هم نگاه می دارند و باعث می شود سیارات در مدار خود به دور خورشید قرار داشته باشد.
مردم قرن ها در مورد گرانش دچار اشتباه بودند. در سال 300 قبل از میلاد مسیح، فیلسوف و دانشمند یونانی، ارسطو، بر اساس یک باور اشتباه فکر می کرد که اجرام سنگین سریع تر از اجرام سبک سقوط می کنند. این باور تا اوایل 1600میلادی همچنان در بین مردم پابرجا بود تا اینکه دانشمند ایتالیایی، گالیله این باور را اصلاح نمود. گالیله گفت که شتاب همه ی اجرام به هنگام سقوط با هم برابر است مگر اینکه مقاومت هوا یا نیروهای دیگری برآن تأثیر بگذارند. شتاب یک جرم، مقدار تغییر در سرعت آن جرم است. بنابراین اگر یک جرم سنگین و یک جرم سبک را هم زمان با هم از یک ارتفاع پرتاب کنیم در یک زمان به زمین می رسند.

قوانین گرانش نیوتونی

ستاره شناسان در گذشته توانستند حرکات ماه و سیارات بر فراز آسمان را اندازه گیری کنند با این حال تا اوایل سال 1600، هیچ یک نتوانستند به درستی این حرکات را توضیح دهند در آن زمان ایزاک نیوتون دانشمند انگلیسی، ارتباطی را بین حرکات اجرام سماوی و نیروی جاذبه ی زمین توصیف نمود.
در سال 1665زمانی که 23ساله بود، سقوط یک سیب یک سؤال را در ذهن او ایجاد کرد که نیروی گرانش زمین تأثیرگذار است. نیوتون کشف خود را در سال1687به نام "مبانی ریاضی علوم طبیعی"تشریح نمود. نیوتون به کمک قوانین حرکت سیارات که توسط ستاره شناس آلمانی یوهانس کپلر کشف شده بود، نشان داد که چگونه نیروی گرانش خورشید با افزایش فاصله کاهش می یابد. او سپس فرض کرد که گرانش زمین نیز به روشی مشابه در فواصل دور کاهش می یابد. نیوتون می دانست که گرانش زمین، ماه را در مدار خود قرار داده است و مقدار گرانش زمین در آن فاصله اندازه گیری کرد. او به کمک فرض خود، بزرگی گرانش در سطح زمین را بدست آورد. عدد به دست آمده، بزرگی همان نیرویی بود که سیب را به زمین کشاند.
قانون گرانش نیوتون می گوید که نیروی گرانش بین دو جرم ارتباط مستقیم با جرم آن دو دارد. یعنی هر چه جرم آنها بیشتر باشد، نیروی گرانش بین آن دو بیشتر است. این قانون همچنین می گوید که نیروی گرانش بین دو جرم ارتباط عکس با فاصله بین دو جرم به توان دو دارد. برای مثال اگر فاصله بین دو جرم دو برابر شود، نیروی گرانش بین آنها یک چهارم می شود. فرمول قانون نیوتون به صورت F=m1+m2/d2 که در آنF نیروی گرانش بین دو جرم، m1وm2 مقدار مواد و جرم و d2فاصله بین دو جرم به توان دو است.
تا اوایل 1900، دانشمندان تنها یک حرکت را مشاهده کردند که بر اساس قانون نیوتون قابل توضیح نبود و آن جابجایی کوچکی در مدار عطارد به دور خورشید بود. مدارعطارد، مانند مدار دیگر سیارات بیضی شکل است. خورشید درست وسط این بیضی قرار ندارد. به همین دلیل یک نقطه در این مدار نسبت به دیگر نقاط آن به خورشید نزدیک تر است. اما مکان این نقطه در هر بار گردش سیاره به دورخورشید اندکی تغییر می کند. دانشمندان به این جابجایی، سبقت سیاره می گویند. دانشمندان از قانون نیوتون برای محاسبه جابجایی استفاده کردند اما نتیجه معادله با آنچه که مشاهده می شود اندکی متفاوت است.

تئوری گرانش اینشتین

در سال 1915، آلبرت اینیشین، فیزیکدان متولد آلمان، تئوری-زمان-گرانش یا تئوری نسبیت عام را معرفی کرد. تئوری اینشتین، طرز فکر دانشمندان به گرانش را به کلی دگرگون کرد. البته این تئوری، قانون نیوتون را رد نکرد بلکه آن را گسترش داد. در بیشتر موارد، نتیجه ای که از تئوری نسبیت حاصل می شد اندکی با نتیجه به دست آمده از قانون نیوتون متفاوت بود. برای مثال، اینشتین از تئوری خود برای اندازه گیری سبقت مداری سیاره عطارد استفاده کرد و نتیجه بدست آمده درست برابر با مشاهدات بود. این نخستین آزمون برای تأیید تئوری نسبیت عام به حساب آمد. تئوری اینشتین بر اساس دو چیز استوار بود: اول، ماهیتی به نام -فضا -زمان و دوم قانونی که به نام اصل هم ارزی شناخته می شود.

فضا -زمان

در ریاضیات پیچیده ی نسبیت، زمان و فضا از هم جدا نیستند. درعوض، فیزیکدانان به مجموعه ای از زمان و فضای سه بعدی شامل طول، عرض و ارتفاع، فضا - زمان می گویند. اینشتین چنین بیان کرد که ماده و انرژی می توانند با ایجاد انحنا در فضا-زمان، شکل آنرا تغییر دهند و گرانش در واقع تأثیر این انحنا در فضا -زمان می باشد.
اصل هم ارزی می گوید که تأثیرات گرانش و تأثیرات شتاب با هم برابرند. برای درک این اصل، تجسم کنید که شنا در سفینه ای هستید که به هیچ جرم آسمانی نزدیک نیست. بنابراین سفینه شما تحت تأثیر هیچ گونه نیروی گرانشی قرار ندارد. به بیانی دیگر، سفینه شما با سرعتی ثابت و در جهتی ثابت حرکت می کند. اگر شما توپی را بیرون بگیرید و رها کنید، توپ سقوط نخواهد کرد. در عوض در کنار شما معلق خواهد ماند.
اما فرض کنید که سفینه شما با افزایش سرعت، شتاب بگیرد. در این هنگام توپ ناگهان به سمت پائین سفینه سقوط خواهد کرد دقیقاً مانند زمانی که تحت تأثیر گرانش قرار بگیرد.

پیش بینی های نسبیت عام

از زمانیکه محاسبه سبقت مداری عطارد، تئوری نسبیت را تأیید نمود، مشاهدات زیادی برای بررسی پیش بینی های تئوری نسبیت انجام گرفت. برخی از نمونه ها عبارتند از: انحراف پرتوهای نور و امواج رادیویی، وجود امواج گرانش و سیاهچاله ها و گسترش کائنات.

انحراف پرتوهای نور

تئوری اینشتین پیش بینی می کرد که گرانش می تواند مسیر پرتوهای نور را هنگامی که از نزدیک یک جرم سنگین عبور می کنند دچار انحراف کند. انحراف به این دلیل به وجود می آید که اجرام، فضا-زمان را دچار انحنا می کنند. خورشید به قدری سنگین هست که بتواند پرتوهای نور را منحرف نماید و دانشمندان در سال1919، در حین یک کسوف کامل توانستند این پیش بینی را تائید کنند.

ایجاد انحراف و کاستن از سرعت امواج رادیویی

این تئوری همچنین پیش بینی کرد که خورشید امواج رادیویی را منحرف کرده و سرعت آنها را کاهش می دهد. دانشمندان با اندازه گیری انحرافی که خورشید در امواج رادیویی ارسال شده توسط کوازارها (اجرام بسیار بسیار قدرتمند که در مرکز برخی کهکشانها قرار دارند) ایجاد می کند این پیش بینی را تائید کردند.
محققین تأخیر امواجی که از کنار خورشید عبور می کردند را با ارسال سیگنال هایی بین زمین و فضاپیمای وایکینگ که در سال 1976به مریخ رسید، اندازه می کردند و آن اندازه گیریها همچنان یکی از پرارزش ترین تائیدیه های تئوری نسبیت به حساب می آیند.

امواج گرانشی

تئوری نسبیت نشان داد که اجرام سنگینی که به دور یکدیگر در چرخش هستند، امواجی را به نام امواج گرانشی منتشر می کنند. از سال1974، دانشمندان حضور این امواج را به طور غیر مستقیم با مشاهده اجرامی به نام تپ اختر دوتایی تائید کرده اند. تپ اختر دوتایی نوعی ستاره نوترونی است که با سرعت بسیار زیاد به دور جرمی مشابه خود اما کوچکتر و غیر قابل مشاهده می چرخد. ستاره نوترونی متشکل از سلول های نوترون، ذره ای به طور معمول تنها در هسته اتمها یافت می شود، می باشد.
یک تپ اختر، دو موج رادیویی را در دو جهت مخالف هم منتشر می کند. با چرخش ستاره حول محور خود، موجها مانند پرتوهای نور یک نورافکن در فضا پخش می شود. اگر یکی از این امواج رادیویی به زمین برسد، تلسکوپ های رادیویی این موج را به صورت یک سری پالس در یافت می کنند. با مشاهده دقیق تر تغییرات پالسهای یک تپ اختر دوتایی، دانشمندان می توانند دوره مداری (زمانیکه دو ستاره یک دور کامل در مدار خود می زنند)آن را تخمین بزنند.
مشاهدات تپ اختر دوتایی 1913 +16PSR نشان داد که دوره مداری آن کاهش می یابد و ستاره شناسان این مقدار کاهش را اندازه گیری کردند. دانشمندان همچنین از معادلات نسبیت عام برای محاسبه مقدار کاهش دوره مداری، در صورت انتشار امواج گرانشی، استفاده کردند. مقدار محاسبه شده دقیقاً برابربا مقدار اندازه گیری شده بود.

سیاهچاله ها

تئوری اینشتین حضور اجرامی به نام سیاهچاله منطقه ای در فضا است که نیروی گرانش آن اجازه گریز به هیچ چیز حتی پرتوهای نور را نمی دهد. محققان مدارک مستدلی در دست دارند که نشان می دهد اغلب ستارگان سنگین در نهایت به سیاهچاله تبدیل می شوند و بیشتر کهکشانها دارای یک سیاهچاله عظیم الجثه در مرکز خود می باشند.

گسترش کائنات

اینشتین در سال1917، مقاله نسبیت عام را که مطالعه ای بر کل کیهان بود ارائه نمود بر اساس این تئوری، کائنات یا در حال گسترش است و یا در حال انقباض. در آن سال دانشمندان مدارک قاطعی برای پذیرفتن هیچ یک از آن دو حالت در دست نداشتند. اینشتین برای پیشگیری از بروز مخالفت دیگران با تئوری نسبیت عام، عاملی به نام ثابت کیهانی را به تئوری خود افزود. ثابت کیهانی، دفع هر ذره در فضا توسط ذرات اطرافش، برای پیش گیری از انقباض جهان می باشد.
بالاخره در سال1929، ستاره شناس آمریکایی ادوین هابل کشف کرد که کهکشانهای دوردست در حال دور شدن آن نیز بیشتر است. کشف هابل نشان داد که دنیا در حال انبساط است. در پی این اکتشاف و تائید آن توسط مشاهدات ستاره شناسان دیگر، اینشتین ثابت کیهانی را از تئوری خود حذف نمود و آن را بزرگترین اشتباه در زندگی خود توصیف کرد.
کشف گسترش کائنات به همراه مشاهدات دیگر، منجر به شکل گیری تئوری منشاء کائنات یعنی تئوری بیگ بنگ یا مهبانگ شد. براساس این تئوری، جهان در پس یک انفجار مهیب آغاز شده است. در آغاز، کل جهانی که ما امروزه در این ابعاد و اندازه می بینیم، به کوچکی یک تیله بوده است. سپس مواد شروع به گسترش کرده و این گستردگی تا به امروز ادامه یافته است.

انرژی تاریک

گرچه اینشتین ثابت کیهانی را بزرگترین اشتباه خود خواند اما شاید این عامل یکی از بزرگترین دستاوردهای مطالعات او باشد. اندازه گیریهایی که در سال1998گزارش شدند نشان می دهند که جهان با سرعت بیشتر و بیشتری رو به گسترش است. به علاوه، سرعت گسترش همانطور که در نسبیت عام با ثابت کیهانی محاسبه شده بود، افزایش یافته است.
تا قبل از انتشار گزارشات، ستاره شناسان همگی فکر می کردند که از سرعت گسترش به دلیل وجود گرانش بین کهکشانها، کاسته شده است. اندازه گیریها نشان دادند که انفجارهای ابر نواختر در کهکشانهای دور دست، کم نورتر از آن هستند که انتظار می رود. بنابراین کهکشانها دورتر از آن هستند که ما تصور می کنیم. اما این کهکشان ها فقط در صورتی می توانند چنین فاصله دوری از ما داشته باشند که افزایش سرعت گسترش از گذشته آغاز شده باشد.
ستاره شناسان به این نتیجه دست یافتند که افزایش سرعت گسترش کائنات وابسته به عاملی است که برخلاف گرانش عمل می کند. این عامل ممکن است ثابت کیهانی و یا چیزی به نام انرژی تاریک باشد. دانشمندان هنوز به یک تئوری برای اثبات وجود انرژی تاریک نرسیده اند اما آنها می دانند که چقدر از آن احتمالاً در دنیا وجود دارد. مقدار انرژی تاریک کائنات حدوداً دو برابر مقدار ماده در آن است.
ماده در جهان شامل دو نوع است: ماده مرئی و ماده اسرار آمیزی به نام ماده تاریک. دانشمندان از ترکیب بندی ماده تاریک بی اطلاع هستند اما اندازه گیریهای حرکت ستارگان و ابرهای گاز در کهکشانها را وادار به باور نمودن وجود چنین ماده ای کرده است. این اندازه گیریها نشان داده اند که جرم کهشانها چندین بار بیشتر از جرم اجرام مرئی در آنها است. همه این مشاهدات بیانگر این هستند که مقدار ماده تاریک در کائنات 30 برابر ماده مرئی در آن است.

گرانش و سن جهان

مشاهدات دیگری که انجام گرفته اند نشان دادند که تئوری نسبیت عام در همه جای کائنات کاربرد دارد. کیهان شناسان عمر جهان را به کمک معادلات نسبیت عام، میزان سرعت گسترش جهان و مقدار تخمینی ماده و انرژی تاریک محاسبه کردند. مقدار محاسبه شده، حدود14میلیارد سال، با نتایج به دست آمده توسط دو روش دیگر محاسبه بر اساس تکامل ستارگان و محاسبه بر اساس نیمه عمر رادیو اکتیوستارگان پیر، همخوانی داشت.

تکامل ستارگان

همراه با رشد و تکامل ستاره، دمای سطحی و نورانیت آن به روش کاملاً شناخته شده ای تغییر می کند. ستاره شناسان می توانند با اندازه گیری دمای سطحی و نورانیت یک ستاره، سن آن را تشخیص دهند. با بهره گیری از این روش، پیرترین ستاره ای که تاکنون ستاره شناسان پیدا کرده اند حدود13میلیارد سال عمر دارد.
نیمه عمر رادیواکتیو بر اساس این واقعیت است که برخی عناصر شیمیایی دچار تجزیه به رادیو اکتیو می شوند. در تجزیه رادیو اکتیو، یک ایزوتوپ از یک عنصر به ایزوتوپ عنصری دیگر تبدیل می شود. ایزوتوپهای رادیو اکتیو با سرعت مشخص و شناخته شده ای تجزیه می شوند.
در سال2001، دانشمندانی که در شیلی، با تلسکوپ بزرگ رصد خانه اروپای جنوبی کار می کردند، با تکنیک نیمه عمر رادیو اکتیو، ستاره ای پیر در کهکشان راه شیری را مورد مطالعه قرار دادند. محققان اورانیوم 238که شامل92پروتون 146نوترون است را بررسی کردند. دانشمندان می دانستند که آن ستاره در زمان شکل گیری شامل چه مقدار اورانیوم بوده است. آنها مقدار اورانیوم فعلی آن را اندازه گیری کردند. آنان با استفاده از اطلاعات به دست آمده و محاسبات، عمر این ستاره را بدست آوردند. به احتمال خیلی زیاد آن ستاره 12/5میلیارد سال عمر دارد، بنابراین عمر جهان احتمالاً کمی از آن بیشتر است. محاسبه عمر چندین ستاره پیر دیگر نیز تقریباً به همین نتیجه ختم شد.
منبع: - ، (1387)، شناخت فضا و منظومه شمسی ،الهام سجادی فر، تهران، [بی نا]، چاپ دوم1389.