تألیف: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون
منبع: راسخون
(این مقاله از سطح نسبی بالایی برخوردار است و صرفاً شاید برای آشنایی با موضوعات برای تحقیقهای بعدی مناسب باشد.)
یکی از مهمترین اکتشافات علمی تمام دوران قانون کلی جاذبه ی سر اسحاق نیوتن است، با کمال تشکر از سیب سقوط کرده.
این مقاله اطلاعاتی را درباره ی نیروی جاذبه و نظریه های بزرگ قرار گرفته در پس مکانیسم عمل کرد آن فراهم میآورد.
نیروی جاذبه نیرویی غیر قابل رؤیت است که تمامی اجسام را به سوی خود میکشد و یا جذب مینماید. نیروهای اساسی جهان شامل نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای قوی، نیروی هسته ای ضعیف و نیروی جاذبه میشوند. نیروی جاذبه ضعیفترین این نیروها است و گستره ای نا محدود دارد، اما در مواردی که ماده درگیر کمیتهایی بسیار عظیم باشد (به عنوان نمونه: یک سیاه چاله)، این نیرو قویترین و غالبترین آنها است. نیروی جاذبه دلیلی است که چرا همه چیز به سوی سطح زمین جذب میشود و هم چنین دلیلی است برای شکل گرفتن و حرکت دیگر سیاره ها و دیگر اجرام آسمانی.
از زمانی که این نیرو به اکتشاف رسیده است، فرآیند عمل کرد نیروی جاذبه به وسیله ی نظریه های بی شماری شرح داده شده است که در پایین توضیح داده شده اند.
هر ذره از ماده هر یک از ذرات دیگر را با نیرویی به خود جذب مینماید، که مستقیماً متناسب است با حاصل ضرب جرمهای آنها و متناسب است با معکوس مربع مسافت بین آنها.
(Gm_1 m_2)/d^2 = نیروی جاذبه
که "G" ثابت گرانشی، "m1" و "m2" جرم دو جسمی که است که باید نیرو برایشان مورد محاسبه قرار گیرد و "d" مسافت میان مرکز جاذبه ی هر دو جرم است.
اجازه دهید تا دو جسم را در نظر بگیریم ـ کره ی زمین و ما. هنگامی که ما به دور سطح زمین حرکت مینماییم، زمین ما را به سمت خود میکشاند و ما نیز زمین را به سمت خود میکشیم. جرم برابر است با مقدار ماده ی موجود در هر جسم. از آن جایی که جرم کره ی زمین در مقایسه با جرم ما بیشتر است، این ما هستیم که به سمت کره ی زمین کشیده میشویم. گذشته از این، نیروی جاذبه هم چنین بستگی به این موضوع دارد که شما در چه فاصله ای از یک جسم خاص قرار دارید. احتمالاً این موضوع دلیلی است بر این امر که چرا ما به سمت خورشید کشیده نمیشویم، خورشیدی که جاذبه ی بیشتری به نسبت زمین دارد.
این قانون هم چنین قانون اینرسی نیز خوانده میشود و در برگیرنده ی دو نکته است: (i) اشیاء تنها تا زمانی حرکت میکنند که نیرویی در پشت آنها قرار داشته باشد؛ (ii) یک شیء جهت حرکت و سرعت خود را تغییر نمیدهد، تا زمانی که نیرویی بر آن وارد شود.
این قانون در مکانیک کلاسیک سودمند است و بدین معنی است که تغییر در اندازه ی حرکت مستقیماً متناسب است با نیروی به کار گرفته شده. هم چنان که جرم ثابت است، نیرو منجر به بروز یک تغییر در سرعت و یا شتاب خواهد گردید. از آن جایی که شتاب یک کمیت برداری است، اندازه و جهت را نیز در بر خواهد گرفت. از این روی، برای شتاب باید نیرویی بر روی شیء اعمال گردد.
نیروهای بر هم کنشی در دو جسم از یک نوع و با یک اندازه و در جهات مختلف رخ میدهند و تأثیرات متفاوتی را در بردارند. از آن جایی که عمل و عکس العمل بر روی دو جسم متفاوت اعمال میگردند، از این رو یک دیگر را خنثی نمیکنند.
جرم اینرسی × شتاب = شدت میدان گرانشی × جرم گرانشی
این اصل برای اولین بار در کره ی ماه و به وسیله ی دیوید اسکات در مأموریت آپولو 15 نشان داده شد، هنگامی که او یک چکش و یک پر را از دست خود انداخت. به خاطر عدم حضور مقاومت هوا در جو کره ی ماه، هر دو جسم در یک زمان به سطح کره ی ماه رسیدند.
اینشتین اظهار داشت که تمامی اجسام تمایل دارند تا فضای اطراف خود را انحنا و یا تاب دهند که منجر به پیدایش یک چهار چوب فضایی چهار بعدی میگردد. بدین ترتیب، ساختار فضا زمان اجازه ی حرکت اجسام که دارای سقوط آزاد هستند را در اطراف فضای انحنا پیدا کرده و یا تاب داده شده را در امتداد خطوط به طور موضعی مستقیم میدهد. با وجود این که خطوط مستقیم هستند، اما آنها در قالب ساختار چهار بعدی که شامل زمان نیز میشود انحنا پیدا مینمایند.
آزمایش ترامپولین (توری که در آکروبات از آن استفاده میکنند)
به عنوان نمونه، یک آهن سنگین را در مرکز یک ترامپولین قرار دهید. حال تصور نمایید که که ترامپولین ساختار فضایی و توپ یک جرم آسمانی بسیار بزرگ باشد. این جرم به خاطر جرم و وزن خود ساختار ترامپولین را دچار انحنا و تاب مینماید. حال، یک توپ مرمری کوچک را بر روی سطح ترامپولین قرار ده ید و آن را به هنگام حرکت کردن در طول یک مسیر منحنی شکل مشاهده نمایید، اما به طور هم زمان از یک مسیر خطی موضعی به سمت توپ سنگینتر حرکت میکند. این دقیقاً همان روشی است که جاذبه بر طبق نظریه ی نسبیت عمومی در جهان عمل مینماید. میتوان توپ سنگین را خورشید منظومه ی شمسی و توپ مرمری را به عنوان یکی از سیاره ها در نظر گرفت. این انحنا پیدا کردن فضا زمان امکان دوران پیدا کردن سیاره ها در مدارهای خود، حرکت ستاره های دنباله دار (در حقیقت دنباله دارها ستاره نیستند و شرایط ستارگی را ندارند ولی این غلط مصطلحی است که رایج شده است در زبان فارسی) و دیگر اجرام آسمانی، از دست رفتن شدت امواج نوری به هنگام عبور از فضا، پدیده ی عدسی گرانشی، امواج گرانشی و غیره را فراهم میآورد.
راه حل شوارتز شیلد
راه حل فریدمن - لمتر - رابرتسون - واکر
راه حل کر
راه حل کر - نیومن
راه حل فضا زمان مینکوفسکی
یک فیزیک دان آلمانی به نام ماکس پلانک در سال 1900 و به هنگام مطالعه ی پدیده ی تابش جسم سیاه نظریه ی کوانتوم را کشف نمود. هم چنین وی این ایده را ارائه نمود که انرژی به شکل بسته های بیتی کوچک به نام کوانتوم تشکیل میشود. این ایده فرآیند عمل کرد جاذبه را بر روی مقیاسی غالباً در سطح میکروسکوپی به نسبت نظریه ی نسبیت توضیح میدهد. دو نظریه ی مهمی که در خطی مشابه از نظریه ی زمینه ی کوانتوم وحدت بخش (مدل استاندارد) با جاذبه عمل مینمایند نظریه ی رشته ای و جاذبه ی کوانتومی حلقه ای هستند. تلاشهای بسیاری به انجام رسیده اند تا این که بتوان تمامی نظریه ها را در قالب یک مفهوم واحد به نام نظریه ی همه چیز (TOE) یک پارچه گردانید.
در دوران اخیر تلاشهایی به انجام رسیده است تا پدیده ی جاذبه با استفاده از ترکیب کردن چندین نظریه با یک دیگر توضیح داده شود، عمدتاً آنهایی را که مرتبط با نظریه ی نسبیت اینشتین و مکانیک کوانتومی هستند. در مقیاس درون اتمی، ذرات زیر اتمی ذرات بر هم کنش گرانشی (گراویتونها) از رده ی اسپین - 2 (اسپین پارامتری از یک ذره ی زیر اتمی است که مربوط به چرخش (البته به یک تعبیر) آن حول خود است) هستند که از هیچ جرمی برخوردار نیستند. این بوزونها (گروهی از ذرات کوانتومی) مسئله ی بغرنج این نظریه را تشکیل میدهند و مسئول آشکار نمودن نیروی جاذبه برای هر جسم جرم مبنا هستند. منبع این ریز اتمها تانسور فشار - انرژی نامیده میشود، که آنها را وادار مینماید تا نیروی جاذبه را به وجود آورند. از آن جایی که این نوع ذره تا کنون به اکتشاف نرسیده است، با توجه به جاذبه این نظریه هم درست مانند دو نظریه ی پیشین فاقد اهمیت محسوب میگردد.
یکی از حالتهای نوسانی، ذرات زیر اتمیِ نظری را به نام گراویتون به وجود میآورد که به نوبه ی خود مسئولیت رسانش جاذبه را بر عهده دارند، حداقل در سطح میکروسکوپیک. از این رو، نظریه ی رشته ای همواره در ترکیب با مکانیک میدان کوانتوم جاذبه ای که در بالا ذکر گردیده است وجود خواهد داشت و از آن جایی که این رشته ها در منابع این ذرات ابتدایی وجود دارند، حالتهای مختلف آنها در ارتعاش، بسته به جرم و فرکانس میتواند موجب به وجود آمدن انواع متعددی از دیگر ذرات زیر اتمی گردد.
جاذبه به صورت یک نیروی آنتروپی: این نظریه از وجود ارتباطی میان جاذبه و ترمودینامیک تشکیل میگردد و اظهار میدارد که نیروی گرانش به طور کامل یک نیروی آنتروپی است و بنا بر این صرفاً به خاطر وجود بر هم کنشی میان یک میدان کوانتومی و ذرات زیر اتمی وجود ندارد
نظریه ی گرانشی غیر متقارن: این نظریه جاذبه را بر مبنای منحنیهای دورانی مسطح کهکشانها توضیح میدهد و از یک بخش متقارن (جاذبه) و یک بخش نا متقارن (میدان الکترومغناطیسی) تشکیل میشود. تانسور نا متقارن متغیر فعال این مفهوم محسوب میگردد.
جاذبه ی القاء شده: در سطح میکروسکوپیک، چگالش بوز - اینشتین نیروهای جاذبه به صورت یک میدان تقریبی میانه در ارتباط با مکانیک سیالات مورد معرفی قرار گرفته اند.
خود آفرینش نظریه ی کیهان شناسی جاذبه: این مفهوم بیان مینماید که جهان در نتیجه ی یک میدان جاذبه ی خود استقرار در ارتباط با دیگر میدانهای اسکالر به وجود آمده است.
نظریه ی برانز - دیکه: نیروهای گرانشی به وسیله ی تانسور و میدانهای اسکالر نسبیت عمومی هماهنگ میگردند و ثابت گرانشی "G" پا برجا نخواهد ماند. این مفهوم در زیر دسته ی مفاهیم نظری اسکالر - تانسور مورد گروه بندی قرار میگیرد.
نظریه ی ارسطویی جاذبه: این مفهوم بیان میدارد که تمامی عناصر و موجودات این جهان در نهایت به سوی منطقه ی زمین مرکزی جهان حرکت میکند، و این که تمامی عناصر در حالتهای طبیعی خود وجود دارند و حفاظی (پوسته ای، صدفی) را در اطراف دیگر عناصر تشکیل میدهند.
نظریه ی جاذبه ی نوردستروم: این نظریه که با نام نظریه ی مؤثر جاذبه نیز شناخته میگردد، این گونه بیان میدارد که اثرات جاذبه در مجموع وابسته به چارچوب هندسی بافت انحنا دار فضا زمان است. این مفهوم درآمدی بود بر نظریه ی نسبیت عمومی اینشتین.
نظریه ی جاذبه ی وایت هد: امواج گرانشی در امتداد خطوط مساحی و در طول یک زمینه ی مسطح سیر مینمایند و به وسیله ی تانسور متریک مینکوفسکی فضا زمان تحت کنترل قرار میگیرند و بدین ترتیب میتوان پتانسیل گرانشی را با استفاده از این تانسورها مورد معرفی قرار داد.
نظریه ی جاذبه ی لو ساگه: این نظریه صورتی از نظریه ی جنبش نیروی جاذبه است. این مفهوم بیان میدارد که تمامی اشیاء مادی از تمامی جهات تحت برخورد با ذرات کوچک میکروسکوپی (ذرات کوچک فرا جهانی) قرار میگیرند. در صورتی که هر دو شیء یک دیگر را با این ذرات بپوشانند، به علت فشار اعمال شده به وسیله ی آنها یک عدم تعادل کلی پدید میآید و هر دو جسم به سوی یکدیگر جذب میگردند.
نظریه های جای گزین ذکر شده در بالا از مبنا و اساس چندان تجربیای برخوردار نیستند و از این رو چندان مورد توجه قرار نمیگیرند. همه ی ما میدانیم که چگونه جاذبه بر تمامی موجودات مادی در جهان ما اثر میگذارد. در ذیل اندکی اطلاعات اضافی در مورد مکانیسم عمل کرد جاذبه با توجه به سیاره ها فراهم آورده شده است.
با وجود این که این نیرو ضعیفترین نیروی بنیادی در جهان است، اما باز هم اثرات جاذبه بیش از دیگر سه نیروی باقیمانده (نیروی الکترومغناطیس، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف) به وسیله ی تمامی موجودات زنده مورد احساس قرار میگیرد. در طول چند قرن گذشته، دانشمندان، محققان و فیزیک دانان بی شماری پدیده ی جاذبه را با نهایت شفافیت ممکن مورد توضیح قرار داده اند. از نظر فنی، تشریح عمل کرد این نیرو در بنیادیترین سطح در قیاس با دیگر نیروهای عالم امکان پذیر نبوده است. تحقیقات هم چنان در جهت مشخص کردن علت اساسی مکانیسم عمل کرد جاذبه در حال انجام است.
یکی از مهمترین اکتشافات علمی تمام دوران قانون کلی جاذبه ی سر اسحاق نیوتن است، با کمال تشکر از سیب سقوط کرده.
این مقاله اطلاعاتی را درباره ی نیروی جاذبه و نظریه های بزرگ قرار گرفته در پس مکانیسم عمل کرد آن فراهم میآورد.
اندازه گیری انحنا
زمین باعث میشود تا به هنگام حرکت کردن، فضا در اطراف آن پیچش پیدا نماید. ماهواره ی گراویتی پروب B در سال 2004 به فضا پرتاب شد تا انحنا و یا تابیدگی فضای اطراف سیاره ی ما را مورد اندازه گیری قرار دهد.نیروی جاذبه نیرویی غیر قابل رؤیت است که تمامی اجسام را به سوی خود میکشد و یا جذب مینماید. نیروهای اساسی جهان شامل نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای قوی، نیروی هسته ای ضعیف و نیروی جاذبه میشوند. نیروی جاذبه ضعیفترین این نیروها است و گستره ای نا محدود دارد، اما در مواردی که ماده درگیر کمیتهایی بسیار عظیم باشد (به عنوان نمونه: یک سیاه چاله)، این نیرو قویترین و غالبترین آنها است. نیروی جاذبه دلیلی است که چرا همه چیز به سوی سطح زمین جذب میشود و هم چنین دلیلی است برای شکل گرفتن و حرکت دیگر سیاره ها و دیگر اجرام آسمانی.
از زمانی که این نیرو به اکتشاف رسیده است، فرآیند عمل کرد نیروی جاذبه به وسیله ی نظریه های بی شماری شرح داده شده است که در پایین توضیح داده شده اند.
نظریه ی نیروی جاذبه ی نیوتن
سر اسحاق نیوتن علت پس پرده ی افتادن سیب را مورد مطالعه قرار داد و آن را به عنوان قانون کلی نیروی جاذبه تعریف کرد.هر ذره از ماده هر یک از ذرات دیگر را با نیرویی به خود جذب مینماید، که مستقیماً متناسب است با حاصل ضرب جرمهای آنها و متناسب است با معکوس مربع مسافت بین آنها.
فرمول استاندارد
بر طبق گزاره ی بالا،(Gm_1 m_2)/d^2 = نیروی جاذبه
که "G" ثابت گرانشی، "m1" و "m2" جرم دو جسمی که است که باید نیرو برایشان مورد محاسبه قرار گیرد و "d" مسافت میان مرکز جاذبه ی هر دو جرم است.
اجازه دهید تا دو جسم را در نظر بگیریم ـ کره ی زمین و ما. هنگامی که ما به دور سطح زمین حرکت مینماییم، زمین ما را به سمت خود میکشاند و ما نیز زمین را به سمت خود میکشیم. جرم برابر است با مقدار ماده ی موجود در هر جسم. از آن جایی که جرم کره ی زمین در مقایسه با جرم ما بیشتر است، این ما هستیم که به سمت کره ی زمین کشیده میشویم. گذشته از این، نیروی جاذبه هم چنین بستگی به این موضوع دارد که شما در چه فاصله ای از یک جسم خاص قرار دارید. احتمالاً این موضوع دلیلی است بر این امر که چرا ما به سمت خورشید کشیده نمیشویم، خورشیدی که جاذبه ی بیشتری به نسبت زمین دارد.
گرانش صفر (بی وزنی)
وضعیت حالت بی وزنی را میتوان به صورت حالت یک جسم تعریف نمود که در آن جسم هیچ گونه تأثیری را از جرم و یا وزن تجربه نمینماید، یعنی اثری از حضور کشش و کرنش در آن جسم مشاهده نمیگردد. به عبارت سادهتر، این وضعیت به وسیله ی مقاومت نیروی گرانشی بر روی جسم پدید میآید و این وضعیت گرانش صفر و یا سقوط آزاد نیز خوانده میشود. هنگامی که نیروهای غیر گرانشی بر روی یک جسم اعمال میگردند (مانند نیرویی که بر یک سانتریفیوژ ، فضا پیمایی که در حال حرکت بر روی مدار کره ی زمین است، موشکهایی که به فضا پرتاب میشوند و غیره، وارد میشود)، آن جسم در حالت جاذبه ی صفر قرار دارد. این وضعیت اکثراً به وسیله ی فضا نوردان در فضا تجربه میگردد.شتاب
شتاب به علت کار برد پیوسته ی یک نیرو بر روی یک جسم به وجود میآید. جسمی که سقوط آزاد دارد شتابی برابر با 8ر9 m/s2 به سمت کره ی زمین دارد. این مقدار عددی به عنوان "شتاب به خاطر جاذبه" شناخته میشود، و با نماد "g" نشان داده میشود. نظریه ی گالیله که بیان میکرد که همه چیز در صورت عدم حضور هوا با شتابی یکسان سقوط خواهند داشت به وسیله ی خود او نشان داده شد، هنگامی که او توپی از نخ پشمی و یک گلوله ی توپ را از برج کج پیزا رها ساخت به نمایش در آمد. هر دو جسم در یک زمان به سطح زمین برخورد مینمایند.قانون اول حرکت نیوتون
هر کسی به حالت سکون و یا حرکت یک نواخت خود در یک خط مستقیم ادامه میدهد مگر این که مجبور گردد تا حالت خود را به خاطر نیروهای خارجی اعمال شده بر آن تغییر دهد.این قانون هم چنین قانون اینرسی نیز خوانده میشود و در برگیرنده ی دو نکته است: (i) اشیاء تنها تا زمانی حرکت میکنند که نیرویی در پشت آنها قرار داشته باشد؛ (ii) یک شیء جهت حرکت و سرعت خود را تغییر نمیدهد، تا زمانی که نیرویی بر آن وارد شود.
قانون دوم حرکت نیوتون
شتاب به وجود آمده به وسیله ی یک نیروی خاص که در حال اعمال شدن بر روی یک جسم است مستقیماً متناسب است با بزرگی آن نیرو و متناسب است با معکوس جرم آن جسم.این قانون در مکانیک کلاسیک سودمند است و بدین معنی است که تغییر در اندازه ی حرکت مستقیماً متناسب است با نیروی به کار گرفته شده. هم چنان که جرم ثابت است، نیرو منجر به بروز یک تغییر در سرعت و یا شتاب خواهد گردید. از آن جایی که شتاب یک کمیت برداری است، اندازه و جهت را نیز در بر خواهد گرفت. از این روی، برای شتاب باید نیرویی بر روی شیء اعمال گردد.
قانون سوم حرکت نیوتون
برای هر عملی، همواره عکس العملی برابر در خلاف جهت آن خواهد بود؛ یا عمل دو طرفه ی دو جسم بر روی یک دیگر همواره برابر و در جهت بخشهای مخالفشان خواهد بود.نیروهای بر هم کنشی در دو جسم از یک نوع و با یک اندازه و در جهات مختلف رخ میدهند و تأثیرات متفاوتی را در بردارند. از آن جایی که عمل و عکس العمل بر روی دو جسم متفاوت اعمال میگردند، از این رو یک دیگر را خنثی نمیکنند.
اصل هم ارزی
محققان بسیاری از جمله گالیله، اینشتین، اوتووس و غیره به بررسی این اصل پرداختند که بیان میکند که شتاب به وجود آمده به خاطر جاذبه ی اعمال شده بر روی یک جسم مستقل است از ماهیت و یا ویژگیهای مشخصه آن جسم. این اصل برابر است با جرم اینرسی و جرم گرانشی یک شیء. به عنوان نمونه، هنگامی که مقاومت هوا (نیروی اصطکاک جسم واسطه) ناچیز و یا ناموجود باشد، تمامی اجسام به یک شکل سقوط کرده و به یک سطح برخورد مینمایند. به عبارت دیگر، اگر دو شیء با جرمها و ترکیبهای مختلف به طور هم زمان انداخته شوند، آنها با یک سرعت برابر به وسیله ی جاذبه به سمت زمین کشیده میشوند، صرف نظر از ویژگیهای متفاوت آنها. از نقطه نظر ریاضیاتی، میتوان اصل هم ارزی را بدین گونه نشان داد:جرم اینرسی × شتاب = شدت میدان گرانشی × جرم گرانشی
این اصل برای اولین بار در کره ی ماه و به وسیله ی دیوید اسکات در مأموریت آپولو 15 نشان داده شد، هنگامی که او یک چکش و یک پر را از دست خود انداخت. به خاطر عدم حضور مقاومت هوا در جو کره ی ماه، هر دو جسم در یک زمان به سطح کره ی ماه رسیدند.
نظریه ی عمومی نسبیت انیشتین
این نظریه در بین سالهای 1907 تا 1915 به وسیله ی آلبرت انیشتین به وجود آمد. وی توضیح داد که جاذبه خصوصیتی از خود فضا زمان است و نیرویی است که در نتیجه ی هندسه ی فضا زمان و فعل و انفعال ماده با فضا و بر عکس به وجود میآید. وی این نظریه را از طریق یک آزمایش فرضی که شامل اثر جاذبه بر روی یک بالا بر در حال سقوط آزاد میشد ارائه نمود و سپس منحرف گردیدن و جذب اجسامی با جرمهای مختلف را که متعاقب با آن میآمد را مورد پیش بینی قرار داد، چیزی که بعدها به طور تجربی به اثبات رسید. مفهوم نسبیت بسیاری از نقائص نظری نیوتون را حل نمود و برای تحقیقات امروزی عملیتر گردید. اختلاف اندک در مدار سیاره ی عطارد، شکست ظاهری پرتوهای نور به خاطر جاذبه، محاسبات متعددی مربوط به مقادیر نجومی و غیره برخی از کاستیها و مشکلاتی هستند که میتوان آنها را با کمک نظریه ی نسبیت عمومی مورد توضیح قرار داد.اینشتین اظهار داشت که تمامی اجسام تمایل دارند تا فضای اطراف خود را انحنا و یا تاب دهند که منجر به پیدایش یک چهار چوب فضایی چهار بعدی میگردد. بدین ترتیب، ساختار فضا زمان اجازه ی حرکت اجسام که دارای سقوط آزاد هستند را در اطراف فضای انحنا پیدا کرده و یا تاب داده شده را در امتداد خطوط به طور موضعی مستقیم میدهد. با وجود این که خطوط مستقیم هستند، اما آنها در قالب ساختار چهار بعدی که شامل زمان نیز میشود انحنا پیدا مینمایند.
آزمایش ترامپولین (توری که در آکروبات از آن استفاده میکنند)
به عنوان نمونه، یک آهن سنگین را در مرکز یک ترامپولین قرار دهید. حال تصور نمایید که که ترامپولین ساختار فضایی و توپ یک جرم آسمانی بسیار بزرگ باشد. این جرم به خاطر جرم و وزن خود ساختار ترامپولین را دچار انحنا و تاب مینماید. حال، یک توپ مرمری کوچک را بر روی سطح ترامپولین قرار ده ید و آن را به هنگام حرکت کردن در طول یک مسیر منحنی شکل مشاهده نمایید، اما به طور هم زمان از یک مسیر خطی موضعی به سمت توپ سنگینتر حرکت میکند. این دقیقاً همان روشی است که جاذبه بر طبق نظریه ی نسبیت عمومی در جهان عمل مینماید. میتوان توپ سنگین را خورشید منظومه ی شمسی و توپ مرمری را به عنوان یکی از سیاره ها در نظر گرفت. این انحنا پیدا کردن فضا زمان امکان دوران پیدا کردن سیاره ها در مدارهای خود، حرکت ستاره های دنباله دار (در حقیقت دنباله دارها ستاره نیستند و شرایط ستارگی را ندارند ولی این غلط مصطلحی است که رایج شده است در زبان فارسی) و دیگر اجرام آسمانی، از دست رفتن شدت امواج نوری به هنگام عبور از فضا، پدیده ی عدسی گرانشی، امواج گرانشی و غیره را فراهم میآورد.
آزمایشات کمک کننده
آزمایشهای گوناگونی در جهت به اثبات رسانیدن این نظریه به انجام رسیده اند، که عمدتاً برای توضیح دادن فرآیند عمل نمودن جاذبه به اجرا در آمدند. مدار سیاره ی عطارد انحراف مسیری غیر عادی را از موقعیت حضیض خورشیدی خود نشان میدهد که نشان دهنده ی این امر است که نه تنها این سیاره به دور خورشید میگردد، بلکه خود مدار نیز به خاطر انحنای فضا زمان تحت تأثیر جاذبه ی خورشید دست خوش تغییر میگردد. انحراف گرانشی و به تأخیر افتادن پرتوه ای نور هم توضیحی خواهد بود بر مکانیسم عمل کرد جاذبه، به خصوص به هنگامی که چنین پرتوهایی در اطراف اجرام آسمانی بزرگی مانند خورشید در گذر باشند. در سال 1959، قرمز گرایی گرانشی به وسیله ی آزمایش پاوند - ربکا به اکتشاف رسید. این آزمایش قرمز گرایی (فرکانس پایین) و یا آبی گرایی (فرکانس بالا) را در یک جسم مورد اندازه گیری قرار میدهد، که به علت وجود جاذبه یک مسیر حرکت را دنبال مینماید. امواج و یا پرتوهای گرانشی به طور غیر مستقیم از سامانه ی ستاره ی دوتایی، ستاره های کوتوله ی سفید، ستاره های نوترونی، سیاه چاله ها و غیره مورد مطالعه و تأیید قرار گرفته اند.معادلات
اینشتین یک مجموعه از معادلات میدانی هم زمان، غیر خطی و دیفرانسیل را به وجود آورد که به توضیح رابطه ی میان اجسام و انحنای بافت فضا زمان میپردازد. راه حل این معادلات بخشی از تانسور متریک این بافت هستند. این تانسور هندسه ی فضا زمان را توضیح میدهد و همین طور به محاسبه ی خطوط مساحی این بافت میپردازد. راه حلهای مهم در زیر ذکر گردیده اند: راه حل رایسنر - نورد اشترومراه حل شوارتز شیلد
راه حل فریدمن - لمتر - رابرتسون - واکر
راه حل کر
راه حل کر - نیومن
راه حل فضا زمان مینکوفسکی
مکانیک و جاذبه ی کوانتوم
یکی از بزرگترین نقاط ضعف مکانیک کوانتوم این است که اثر جاذبه را ورای ثابت پلانک به حساب نمیآورد. هم چنین، از آن جایی که جنبه های بسیاری هنوز تنها در سطح نظری مطرح هستند، این مفهوم تنها در صورتی صحیح است که جاذبه تنها در مقیاس فرو اتمی پنداشته شود.یک فیزیک دان آلمانی به نام ماکس پلانک در سال 1900 و به هنگام مطالعه ی پدیده ی تابش جسم سیاه نظریه ی کوانتوم را کشف نمود. هم چنین وی این ایده را ارائه نمود که انرژی به شکل بسته های بیتی کوچک به نام کوانتوم تشکیل میشود. این ایده فرآیند عمل کرد جاذبه را بر روی مقیاسی غالباً در سطح میکروسکوپی به نسبت نظریه ی نسبیت توضیح میدهد. دو نظریه ی مهمی که در خطی مشابه از نظریه ی زمینه ی کوانتوم وحدت بخش (مدل استاندارد) با جاذبه عمل مینمایند نظریه ی رشته ای و جاذبه ی کوانتومی حلقه ای هستند. تلاشهای بسیاری به انجام رسیده اند تا این که بتوان تمامی نظریه ها را در قالب یک مفهوم واحد به نام نظریه ی همه چیز (TOE) یک پارچه گردانید.
در دوران اخیر تلاشهایی به انجام رسیده است تا پدیده ی جاذبه با استفاده از ترکیب کردن چندین نظریه با یک دیگر توضیح داده شود، عمدتاً آنهایی را که مرتبط با نظریه ی نسبیت اینشتین و مکانیک کوانتومی هستند. در مقیاس درون اتمی، ذرات زیر اتمی ذرات بر هم کنش گرانشی (گراویتونها) از رده ی اسپین - 2 (اسپین پارامتری از یک ذره ی زیر اتمی است که مربوط به چرخش (البته به یک تعبیر) آن حول خود است) هستند که از هیچ جرمی برخوردار نیستند. این بوزونها (گروهی از ذرات کوانتومی) مسئله ی بغرنج این نظریه را تشکیل میدهند و مسئول آشکار نمودن نیروی جاذبه برای هر جسم جرم مبنا هستند. منبع این ریز اتمها تانسور فشار - انرژی نامیده میشود، که آنها را وادار مینماید تا نیروی جاذبه را به وجود آورند. از آن جایی که این نوع ذره تا کنون به اکتشاف نرسیده است، با توجه به جاذبه این نظریه هم درست مانند دو نظریه ی پیشین فاقد اهمیت محسوب میگردد.
نظریه ی رشته ای
نظریه ی رشته ای که در دهه ی 60 میلادی به وجود آمده است، مفهومی است که ذرات زیر اتمی را با اشیاء تک بعدیای به نام رشته عوض مینماید و حالات کوانتومی مختلفی از این رشته ها به منظور تمایز ایجاد نمودن بین ذرات ابتدایی به کار برده میشوند. این رشته ها میتوانند به طرق بی شماری ارتعاش و نوسان داشته باشند، و از دو نوع برخوردار هستند: رشته های باز و بسته. نمونه های قدیمیتر از دو نقطه برخوردار هستند، در حالی که نمونه های بعدی در یک حلقه ی بسته وجود دارند.یکی از حالتهای نوسانی، ذرات زیر اتمیِ نظری را به نام گراویتون به وجود میآورد که به نوبه ی خود مسئولیت رسانش جاذبه را بر عهده دارند، حداقل در سطح میکروسکوپیک. از این رو، نظریه ی رشته ای همواره در ترکیب با مکانیک میدان کوانتوم جاذبه ای که در بالا ذکر گردیده است وجود خواهد داشت و از آن جایی که این رشته ها در منابع این ذرات ابتدایی وجود دارند، حالتهای مختلف آنها در ارتعاش، بسته به جرم و فرکانس میتواند موجب به وجود آمدن انواع متعددی از دیگر ذرات زیر اتمی گردد.
جاذبه ی کوانتومی حلقه ای
مفهوم دیگری که بر روی مکانیک کوانتومی مدل سازی گردیده است، یعنی نظریه ی کوانتومی حلقه ای به شکل گیری ساختاری فشرده و دانه وار در بافت فضا زمان برمیگردد. عملگره ای خاص فرکانس کنترل فرکانس طیف میدانی خاصی را در دست خود دارند. مساحت و حجم پارامتره ای هر یک از منطقه های فضایی متناظر با طیفهایی خاص هست و آنها هم چنین با توجه به کوانتومهای ابتدایی ساختار فضا زمان، کوانتومی میگردند. ساختارهای ریاضیاتیای خاص به نام شبکه های چرخشی به همراه جنبه های هندسی متغیرهای آشتِکار، چارچوب هندسی جاذبه را در سطح زیر اتمی در برابر ثابت پلانک تشکیل میدهند.نظریه های جای گزین
در زیر برخی از نظریات جای گزین که بر مبنای فرآیند عملکرد نیروی جاذبه عمل مینمایند ذکر گردیده اند: نظریه ی خلأ ابر شار: ماهیت اساسی و بنیادی محیط خلأ به صورت یک جسم دارای قدرت هدایت فوق العاده (محصول چگالش بوز - اینشتین) در نظر گرفته میشود که عمل کرد جاذبه را در سر تا سر فضا منتقل مینماید. این سیال از یک فرمیون و یک پاد فرمیون تشکیل میشود که یک تابع موج را در جهت انتشار دادن امواج گرانشی برای رسانا تعیین مینمایند.جاذبه به صورت یک نیروی آنتروپی: این نظریه از وجود ارتباطی میان جاذبه و ترمودینامیک تشکیل میگردد و اظهار میدارد که نیروی گرانش به طور کامل یک نیروی آنتروپی است و بنا بر این صرفاً به خاطر وجود بر هم کنشی میان یک میدان کوانتومی و ذرات زیر اتمی وجود ندارد
نظریه ی گرانشی غیر متقارن: این نظریه جاذبه را بر مبنای منحنیهای دورانی مسطح کهکشانها توضیح میدهد و از یک بخش متقارن (جاذبه) و یک بخش نا متقارن (میدان الکترومغناطیسی) تشکیل میشود. تانسور نا متقارن متغیر فعال این مفهوم محسوب میگردد.
جاذبه ی القاء شده: در سطح میکروسکوپیک، چگالش بوز - اینشتین نیروهای جاذبه به صورت یک میدان تقریبی میانه در ارتباط با مکانیک سیالات مورد معرفی قرار گرفته اند.
خود آفرینش نظریه ی کیهان شناسی جاذبه: این مفهوم بیان مینماید که جهان در نتیجه ی یک میدان جاذبه ی خود استقرار در ارتباط با دیگر میدانهای اسکالر به وجود آمده است.
نظریه ی برانز - دیکه: نیروهای گرانشی به وسیله ی تانسور و میدانهای اسکالر نسبیت عمومی هماهنگ میگردند و ثابت گرانشی "G" پا برجا نخواهد ماند. این مفهوم در زیر دسته ی مفاهیم نظری اسکالر - تانسور مورد گروه بندی قرار میگیرد.
نظریه ی ارسطویی جاذبه: این مفهوم بیان میدارد که تمامی عناصر و موجودات این جهان در نهایت به سوی منطقه ی زمین مرکزی جهان حرکت میکند، و این که تمامی عناصر در حالتهای طبیعی خود وجود دارند و حفاظی (پوسته ای، صدفی) را در اطراف دیگر عناصر تشکیل میدهند.
نظریه ی جاذبه ی نوردستروم: این نظریه که با نام نظریه ی مؤثر جاذبه نیز شناخته میگردد، این گونه بیان میدارد که اثرات جاذبه در مجموع وابسته به چارچوب هندسی بافت انحنا دار فضا زمان است. این مفهوم درآمدی بود بر نظریه ی نسبیت عمومی اینشتین.
نظریه ی جاذبه ی وایت هد: امواج گرانشی در امتداد خطوط مساحی و در طول یک زمینه ی مسطح سیر مینمایند و به وسیله ی تانسور متریک مینکوفسکی فضا زمان تحت کنترل قرار میگیرند و بدین ترتیب میتوان پتانسیل گرانشی را با استفاده از این تانسورها مورد معرفی قرار داد.
نظریه ی جاذبه ی لو ساگه: این نظریه صورتی از نظریه ی جنبش نیروی جاذبه است. این مفهوم بیان میدارد که تمامی اشیاء مادی از تمامی جهات تحت برخورد با ذرات کوچک میکروسکوپی (ذرات کوچک فرا جهانی) قرار میگیرند. در صورتی که هر دو شیء یک دیگر را با این ذرات بپوشانند، به علت فشار اعمال شده به وسیله ی آنها یک عدم تعادل کلی پدید میآید و هر دو جسم به سوی یکدیگر جذب میگردند.
نظریه های جای گزین ذکر شده در بالا از مبنا و اساس چندان تجربیای برخوردار نیستند و از این رو چندان مورد توجه قرار نمیگیرند. همه ی ما میدانیم که چگونه جاذبه بر تمامی موجودات مادی در جهان ما اثر میگذارد. در ذیل اندکی اطلاعات اضافی در مورد مکانیسم عمل کرد جاذبه با توجه به سیاره ها فراهم آورده شده است.
اثر نیروی جاذبه بر روی سیارات
در سال 1806 یک فیزیولوژیست بریتانیایی به نام ای. نایت با انجام یک آزمایش، کنترل جاذبه را بر روی جهت رشد ریشه ی یک گیاه نشان داد. اصطلاح زمین گرایی برای نخستین بار در سال 1868 و به وسیله ی ای. بی. فرانک وضع گردید. این اصطلاح درباره ی حرکت رشد یک گیاه در پاسخ به نیروی جاذبه است. زمین گرایی مثبت به وسیله ی ریشه هایی نشان داده میشود که در جهتی رو به سمت پایین رشد پیدا مینمایند، و زمین گرایی منفی به وسیله ی ساقه ای به نمایش در میآید که رو به سمت بالا رشد پیدا میکند. تمامی دیگر جهات متغیر واگرا نامیده میشوند. این باور وجود دارد که این پدیده به وسیله ی یک هورمون گیاهی به نام اکسین به وجود میآید.با وجود این که این نیرو ضعیفترین نیروی بنیادی در جهان است، اما باز هم اثرات جاذبه بیش از دیگر سه نیروی باقیمانده (نیروی الکترومغناطیس، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف) به وسیله ی تمامی موجودات زنده مورد احساس قرار میگیرد. در طول چند قرن گذشته، دانشمندان، محققان و فیزیک دانان بی شماری پدیده ی جاذبه را با نهایت شفافیت ممکن مورد توضیح قرار داده اند. از نظر فنی، تشریح عمل کرد این نیرو در بنیادیترین سطح در قیاس با دیگر نیروهای عالم امکان پذیر نبوده است. تحقیقات هم چنان در جهت مشخص کردن علت اساسی مکانیسم عمل کرد جاذبه در حال انجام است.
/ج
