راز گرانش | نیرویی که جهان را به هم می‌دوزد

گرانش

گرانش نیروی جاذبه ای است که بین همه اجرام به خاطر جرم شان، 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 میکند جرمی که در سطح زمین است نیز نیرویی به سمت پائین را به دلیل گرانش تجربه می کند. ما این نیرو را در بدن خود به شکل وزن تجربه میکنیم گرانش گازهای تشکیل دهنده خورشید را در کنار هم نگاه می دارد و باعث میشود سیارات در مدار خود به دور خورشید قرار داشته باشند.

مردم قرن ها در مورد گرانش دچار اشتباه بودند. در سال ۳۰۰ 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 ۱۶۰۰ میلادی همچنان در بین مردم پابرجا بود تا اینکه دانش مند ایتالیایی گالیله این باور را اصلاح نمود گالیله گفت که شتاب همه اجرام به هنگام سقوط با هم برابر است مگر اینکه مقاومت هوا یا نیروهای دیگری بر آن تاثیر بگذارند.

شتاب یک جرم مقدار تغییر در سرعت آن جرم است بنابر این 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 سال۱۶۰۰، هیچ یک نتوانستند به درستی این حرکات را توضیح دهند. در آن زمان ایزاک نیوتون دانش مند انگلیسی ارتباطی را بین حرکات اجرام سماوی و نیروی جاذبه زمین توصیف نمود.

در سال ۱۶۶۵ زمانیکه نیوتون ۲۳ ساله بود سقوط یک سیب این سوال را در ذهن او ایجاد کرد که نیروی گرانش زمین تا چه فاصله ای تاثیر گذار است. نیوتون کشف خود را در سال ۱۶۸۷ به نام “ریشه های ریاضیات” در فلسفه طبیعت 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 را اندازه گیری کرد. او به کمک فرض خود بزرگی گرانش در سطح زمین را به دست آورد عدد به دست آمده بزرگی همان نیرویی بود که سیب را به زمین کشاند.

قانون گرانش نیوتون میگوید که نیروی گرانش بین دو جرم ارتباط مستقیم با جرم آن دو دارد. یعنی هر چه جرم آن ها بیشتر باشد نیروی گرانش بین آن دو بیشتر است. این قانون هم چنین میگوید 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 آن ها یک چهارم می شود فرمول قانون نیوتون به صورت   می باشد که در آن F نیروی گرانش بین دو جرم، مقدار مواد دو جرم و  فاصله بین دو جرم به توان دو است.

تا اوایل ۱۹۰۰ دانشمندان تنها یک حرکت را مشاهده کرده بودند که بر اساس قانون نیوتون قابل توضیح نبود و آن جابجایی کوچکی در مدار عطارد به دور خورشید بود. مدار عطارد، 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 دور خورشید اندکی تغییر می کند. دانشمندان به این جابه جایی، سبقت سیاره می گویند.

دانشمندان از قانون نیوتون برای محاسبه این جابه جایی استفاده کردند اما نتیجه معادله با آن چه که مشاهده می شود اندکی متفاوت است.

تئوری گرانش اینشتین

 در سال ۱۹۱۵ آلبرت اینشتین، فیزیک دان متولد آلمان تئوری فضا-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 آنرا 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 به دست آمده درست برابر با مشاهدات بود این نخستین آزمون برای تائید 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 نسبیت زمان و فضا از هم جدا نیستند. در عوض، فیزیک دانان 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 تاثیر این انحنا در فضا-زمان می باشد.

 اصل هم ارزی می گوید که تاثیرات گرانش و تاثیرات شتاب با هم برابرند برای درک این اصل، تجسم کنید که شما در سفینه ای هستید که به هیچ جرم آسمانی نزدیک نیست. بنابر این سفینه شما تحت تاثیر هیچ گونه نیروی گرانشی قرار ندارد. فرض کنید که سفینه شما به سمت جلو می رود اما شتاب 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 دقیقا مانند زمانی که تحت تاثیر گرانش قرار بگیرد.

پیش بینی های نسبیت عام

از زمانی که محاسبه سبقت مداری عطارد، تئوری نسبیت را تائید 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 سیاه چاله ها و گسترش کائنات.

انحراف پرتوهای نور

تئوری اینشتین پیش بینی میکرد 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 سال ۱۹۱۹، در حین یک کسوف کامل توانستند این پیش بینی را تائید کنند.

ایجاد انحراف و کاستن از سرعت امواج رادیویی

این تئوری هم چنین پیش بینی کرد که خورشید امواج رادیویی را منحرف کرده و سرعت آن ها را کاهش می دهد. دانش مندان با اندازه گیری انحرافی که خورشید در امواج رادیویی ارسال شده توسط کوازارها (اجرام بسیار بسیار قدرتمند که در مرکز برخی کهکشان ها قرار دارند) ایجاد می کند این پیش بینی را نیز تائید کردند. محققین تاخیر امواجی که از کنار خورشید عبور می کردند را با ارسال سیگنال هایی بین زمین و فضاپیمای وایکینگ که در سال ۱۹۷۶ به مریخ رسید، اندازه گیری کردند. آن اندازه گیری ها هم چنان یکی از پر ارزش 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 سال ۱۹۷۴ دانشمندان حضور این امواج را به طور غیر مستقیم با مشاهده اجرامی به نام تپ اختر دو تایی تائید کرده اند تپ اختر دو تایی نوعی ستاره نوترونی است که با سرعت بسیار زیاد به دور جرمی مشابه خود اما کوچک تر و غیر قابل مشاهده می چرخد ستاره نوترونی متشکل از سلول های نوترون ذره ای که به طور معمول تنها در هسته اتم ها 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، موج ها مانند پرتوهای نور یک نور افکن در فضا پخش می شوند. اگر یکی از این امواج رادیویی به زمین برسد تلسکوپ های رادیویی این موج را به صورت یک سری پالس دریافت می کنند با مشاهده دقیق تر تغییرات پالس های یک تپ اختر دو تایی، دانش مندان می توانند دوره مداری (زمانی که دو ستاره یک دور کامل در مدار خود می زنند) آن را تخمین بزنند.

مشاهدات تپ اختر دو تایی +PSR191316 نشان داد که دوره مداری آن کاهش می یابد و ستاره شناسان این مقدار کاهش را اندازه گیری کردند دانش مندان هم چنین از معادلات نسبیت عام برای محاسبه مقدار کاهش دوره مداری در صورت انتشار امواج گرانشی استفاده کردند. مقدار محاسبه شده دقیقا برابر با مقدار اندازه گیری شده بود.

سیاه چاله ها

تئوری اینشتین حضور اجرامی به نام سیاه چاله ها را پیش بینی کرد سیاه چاله 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 سیاه چاله تبدیل می شوند و بیشتر کهکشان ها دارای یک سیاه چاله عظیم الجثه در مرکز خود می باشند.

گسترش کائنات

اینشتین در سال ۱۹۱۷ 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 دانش مندان مدارک قاطعی برای پذیرفتن هیچ یک از آن دو حالت در دست نداشتند. اینشتین برای پیش گیری 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 سال ۱۹۲۹، ستاره شناس آمریکایی ادوین هابل کشف کرد که کهکشان های دور دست در حال دور شدن از زمین می باشند و هر چه فاصله کهکشان از زمین بیشتر است سرعت 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 بزرگ ترین 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 مه بانگ شد. بر اساس این تئوری جهان در پس یک انفجار مهیب آغاز شده است. در آغاز، کل جهانی که ما امروز 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 بزرگ ترین اشتباه خود خواند اما شاید این عامل یکی از بزرگ ترین دستاوردهای مطالعات او باشد. اندازه گیری هایی که در سال ۱۹۹۸ گزارش شدند نشان می دهند که جهان با سرعت بیشتر و بیشتری رو به گسترش است. به علاوه سرعت گسترش همان طور 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 کهکشان ها کاسته شده است. اندازه گیری ها نشان دادند که انفجارهای ابرنواختر در کهکشان های دور دست کم نورتر از آن هستند که انتظار می رود بنابر این کهکشان ها دور تر 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 یافته اند که افزایش سرعت گسترش کائنات و ابسته به عاملی است که بر خلاف گرانش عمل می کند. این عامل ممکن است ثابت کیهانی و یا چیزی به نام انرژی تاریک باشد. دانشم ندان هنوز به یک تئوری برای اثبات وجود انرژی تاریک نرسیده اند اما آن ها می دانند که چقدر از آن احتمالا 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. دانش مندان از ترکیب بندی ماده تاریک بی اطلاع هستند اما اندازه گیری های حرکت ستارگان و ابرهای گاز در کهکشان ها دانش مندان را وادار به باور نمودن وجود چنین ماده ای کرده است. این اندازه گیری ها نشان داده اند که جرم کهکشان ها چندین بار بیشتر از جرم اجرام مرئی در آن ها است همه این مشاهدات بیان گر این هستند که مقدار ماده تاریک در کائنات ۳۰ 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، حدود ۱۴ میلیارد سال با نتایج به دست آمده توسط دو روش دیگر محاسبه عمر جهان یعنی محاسبه بر اساس تکامل ستارگان و محاسبه بر اساس نیمه عمر رادیواکتیو ستارگان پیر هم خوانی داشت.

تکامل ستارگان

همراه با رشد و تکامل ستاره، دمای سطحی و نورانیت آن به روش کاملا 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 تا کنون ستاره شناسان پیدا کرده اند حدود ۱۳ میلیارد سال عمر دارد.

نیمه عمر رادیو اکتیو بر اساس این واقعیت است که برخی عناصر شیمیایی دچار تجزیه رادیواکتی   می شوند. در تجزیه رادیواکتیو یک ایزوتوپ از یک عنصر به ایزوتوپ عنصری دیگر تبدیل می شود. ایز و توپ های رادیواکتیو با سرعت مشخص و شناخته شده ای تجزیه می شوند. در سال ۲۰۰۱ دانش مندانی که در شیلی با تلسکوپ بزرگ رصد خانه اروپای جنوبی کار می کردند با تکنیک نیمه عمر رادیواکتیو، ستاره ای پیر در کهکشان راه شیری را مورد مطالعه قرار دادند.

محققان اورانیوم ۲۳۸ که شامل ۹۲ پروتون و ۱۴۶ نوترون است را بررسی کردند دانش مندان می دانستند که آن ستاره در زمان شکل گیری شامل چه مقدار اورانیوم بوده است. آن ها مقدار اورانیوم فعلی آن را اندازه گیری کردند آنان با استفاده از اطلاعات به دست آمده و محاسبات عمر این ستاره را به دست آوردند به احتمال خیلی زیاد آن ستاره 5/12 میلیارد سال عمر دارد بنابر این عمر جهان. احتمالا کمی از آن بیش تر است. محاسبه عمر چندین ستاره دیگر نیز تقریبا به همین نتیجه ختم می‌شود.