حقایقی که درباره گرانش نمی‌دانستید

برترین‌ها - ترجمه از الهام مظفری : رابطه ما با گرانش از دوران دبستان آغاز شد، زمانی که برای اولین بار با این نیروی شگفت انگیز آشنا شدیم. با این حال گرانش چیزی بیش از نیرویی است که ما را روی زمین نگه می‌دارد. در مدرسه نکات ساده‌ای درباره گرانش آموختیم. اما این باعث تصورات غلط و خلاهایی در درک ما از این نیروی فیزیکی مهم شده است. در این جا با چند حقیقت جالب درباره گرانش آشنا می‌شوید که احتمالا قبلا نمی‌دانستید.

گرانش یک نظریه است نه یک قانون

در حقیقت گرانش یک قانون علمی نیست. اگر در اینترنت درباره گرانش جستجو کنید، احتمالا مقالات زیادی درباره قانون گرانش پیدا می‌کنید. اما در دنیای علم، قوانین و نظریه‌ها بسیار متفاوت هستند. یک قانون علمی حقیقتی بر پایه داده و روابط است که دقیقا انچه را اتفاق می‌افتد توضیح می‌دهد. اما یک نظریه ایده‌ای است که برای توضیح چرایی اتفاق افتادن یک پدیده استفاده می‌شود.

وقتی به گرانش با استفاده از تعاریف قوانین علمی و نظریه فکر می‌کنیم، مشخص می‌شود که چرا گرانش یک نظریه است نه یک قانون. دانشمندان نتوانسته اند گرانش همه ستارگان، ماه، سیارات، شهاب سنگ یا اتم را در جهان محاسبه کنند. کاوشگر فضایی «Voyager ۱» حدود ۲۱ میلیارد کیلومتر از زمین سفر کرده است. این فضاپیما منظومه شمسی ما را ترک کرده اما نه خیلی زیاد. تنها با نگاه کردن به سفر طولانی چندین ساله این فضاپیما می‌توانید بفهمید که چرا دانشمندان نتوانسته گرانش همه ستارگان و ... را بررسی کنند. جهان ما بسیار بزرگ است!

اختلافاتی در نظریه گرانش وجود دارد

بعد از اینکه فهمیدید گرانش یک نظریه است، باید بدانید خلأهایی در نظریه گرانش وجود دارد که نشان می‌دهد این نیرو آن قدر که در دوران دبستان فکر می‌کردیم قابل باور نیست. بسیاری از این خلا‌ها در منظومه شمسی دیده می‌شوند، اما برخی از آن‌ها در زمین هم قابل مشاهده هستند. به طور مثال، طبق نظریه گرانش، نیروی گرانش خورشید روی ماه بسیار بیشتر از نیروی گرانش زمین اعمال می‌شود؛ بنابراین ماه باید به جای زمین به دور خورشید می‌گشت. اما دانشمندان ثابت کرده اند که ماه به دور زمین می‌گردد که با نگاه به آسمان شب آن را می‌فهمیم.

در مدرسه با نیوتن، کاشف گرانش هم آشنا شدیم. نیوتن شاخه‌ای جدید در ریاضیات با نام حساب دیفرانسیل ایجاد و از آن برای توسعه نظریه گرانشش استفاده کرد. هرچند بسیاری از ما با این رشته از ریاضیات آشنا هستیم، اما ثابت شده که کاستی‌های زیادی دارد؛ بنابراین ممکن است کاستی هایی در اثبات نظریه گرانش توسط نیوتن هم وجود داشته باشد.

امواج گرانشی

نظریه نسبیت عام انیشتین در سال ۱۹۱۵ ارائه شد. تقریبا در همان زمان، فرضیه پدیده‌ای به نام امواج گرانشی هم به وجود آمد. سال ۱۹۷۴ این نظریه ثابت شد. امواج گرانشی امواجی در محدوده فضا-زمان هستند که توسط رویدادهای عظیم جهان اتفاق می‌افتند. این رویداد‌ها هرچیزی می‌توانند باشند از برخورد سیاهچاله‌ها تا حرکت ستاره‌های نوترونی تا یک ابرنواختر. وقتی چنین چیزی اتفاق بیفتد، امواج گرانشی در محل وقوع ایجاد می‌شوند مثل امواجی که از پرتاب سنگ داخل آب به وجود می‌آید.‌ این امواج با سرعت نور در جهان حرکت می‌کنند.

همان طور که ما این رویدادهای عظیم را در جهان نمی‌بینیم، سال‌ها طول می‌کشید تا امواج گرانشی را مشاهده کنیم. به همین دلیل حدود ۶۰ سال طول کشید تا وجود امواج گرانشی را ثابت کنیم. دانشمندان برای بیش از ۴۰ سال، اولین یافته خود از امواج گرانشی را کنترل کردند، این امواج توسط دو ستاره سنگین متراکم ایجاد شده بودند که به دلیل کشش گرانشی دور یکدیگر می‌چرخیدند. به مرور زمان مشاهده شد که ستاره‌ها با سرعتی که نظریه انیشتین پیش بینی کرده بود به هم نزدیک و نزدیکتر می‌شوند؛ بنابراین ثابت شد که امواج گرانشی وجود دارند.

سیاه‌چاله‌ها و گرانش

سیاه‌چاله‌ها یکی از بزرگترین رازهای جهان هستند. آن‌ها هنگام فروپاشی یک ستاره در خودش ایجاد می‌شوند که یک ابرنواختر را ایجاد می‌کند. این ابرنواختر قطعات ستاره را در فضا پخش می‌کنند و منطقه‌ای ایجاد می‌کند که در آن گرانش آنقدر زیاد است که نور نمی‌تواند از آن بگریزد و سیاه‌چاله شکل می‌گیرد. گرانش باعث ایجاد سیاه‌چاله‌ها نمی‌شود، اما نقش کلیدی در کمک به ما برای درک و یادگیری آن بازی می‌کند.

گرانش سیاه‌چاله‌ها به دانشمندان کمک می‌کند آن‌ها را در جهان پیدا کنند. چون کشش گرانش آنقدر قوی است که دانشمندان کشش گرانش را روی سایر ستارگان و گازهای اطراف آن‌ها می‌بینند. حتی سیاه‌چاله‌ها می‌توانند این گاز‌ها را بکشند و در اطراف خود یک دایره روشن ایجاد کنند. بدون گرانش شدید سیاه‌چاله ها، ممکن بود هرگز نفهمیم آن‌ها وجود دارند.

نظریه ماده تاریک و انرژی تاریک

حدود ۶۸ درصد جهان از انرژی تاریک و ۲۷ درصد از ماده تاریک تشکیل شده است. با وجود اینکه ماده و انرژی تاریک بسیار زیادی در جهان وجود دارد ما چیز زیادی درباره آن‌ها نمی‌دانیم. ما می‌دانیم که انرژی تاریک ویژگی‌های زیادی دارد. نظریه گرانش انیشتین هم نقش بزرگی در کمک به دانشمندان داشت که ببینند انرژی تاریک می‌تواند گسترش یابد و فضای بیشتری ایجاد کند.

دانشمندان هنگام استفاده از نظریه انیشتین، ابتدا فکر می‌کردند که گرانش باید گسترش جهان را به مرور زمان کم کند. سپس در سال ۱۹۹۸ تلکسکوپ فضایی هابل نشان داد که سرعت گسترش جهان سریع و سریع‌تر می‌شود؛ بنابراین دانشمندان فهمیدند که نظریه گرانش نمی‌تواند آنچه را در جهان اتفاق می‌افتد توضیح دهد. آن‌ها از ماده و انرژی تاریک برای توضیح سرعت فزاینده انبساط جهان استفاده کردند.

گراویتون

ما در مدرسه یاد گرفتیم که گرانش یک نیرو است، اما ممکن است واقعا ذره‌ای به نام گراویتون باشد. گراویتون واحد پایه گرانش است که حامل نیروی گرانش است. فیزیکدانان هیچ گراویتونی را شناسایی نکرده اند، اما نظریه‌های بسیاری دارند که چرا ممکن است آن‌ها وجود داشته باشند. یکی از این نظریه‌ها این است که گرانش تنها نیرویی (از چهار نیروی بنیادی طبیعت) است که در آن یک واحد پایه شناسایی نشده است.

اگرچه ممکن است گراویتون‌ها وجود داشته باشند، اما شناسایی آن‌ها بسیار سخت است. فیزیکدانان فرض می‌کنند که امواج گرانشی از گراویتون تشکیل شده‌اند. برای تشخیص امواج گرانشی آزمایش ساده‌ای وجود دارد که متاسفانه برای تشخیص تغییرات فاصله جزئی که توسط گراویتون‌ها ایجاد می‌شود کار نمی‌کند. فیزیکدانان برای تشخیص آن‌ها به آینه‌هایی نیاز خواهند داشت که آنقدر سنگین هستند که در هم فرو می‌پاشند و سیاه چاله ایجاد می‌کنند؛ بنابراین در آینده نزدیک ممکن نخواهد بود. در حال حاضر دانشمندان به جهان نگاه می‍کنند تا به ‌آن‌ها برای برای شناسایی آثار گراویتون‌ها کمک کند.

ایجاد پتانسیل کرم‌چاله

کرم‌چاله‌ها نیز یکی دیگر از رازهای بزرگ هستی هستند. فکر کنید می‌توانستید در تونل زمان با سرعت نور به یک کهکشان دیگر سفر کنید. اگر کرم‌چاله‌ها در جهان وجود داشته باشند چنین چیزی ممکن است. تا کنون هیچ شاهدی وجود ندارد که وجود آن‌ها را اثبات کند، اما فیزیکدانان به راهی برای ایجاد آن‌ها با گرانش فکر می‌کنند. با استفاده از نظریه نسبیت عام انیشتین، فیزیکدان «لودوینگ فلام» توضیح می‌دهد که گرانش چطور می‌تواند فضا و زمان را ترکیب کند که از نظر تئوری باعث ایجاد کرم‌چاله می‌شود. البته نظریه‌های دیگری هم درباره پیدایش کرم‌چاله‌ها وجود دارند.

سیارات نیروی گرانشی روی خورشید اعمال می‌کنند

ما می‌دانیم تمام سیارات منظومه شمسی به دام گرانش خورشید افتاده‌اند و نمی‌توانند از مدارشان بگریزند به همین دلیل است که به دور خورشید می‌گردند. به همین ترتیب زمین هم به ماه نیروی گرانش اعمال می‌کند و باعث می‌شود ماه به دور زمین بگردد. با این حال همه سیارات و سایر اجسام دارای جرم در منظومه شمسی نیروی گرانشی به خورشید، سایر سیارات و همه اجسام دارای جرم اعمال می‌کنند. میزان این گرانش به جرم اجسام و فاصله آن‌ها بستگی دارد. در حقیقت همه اجسام دارای جرم در جهان نیروی گرانش خود را به سایر اجسام دارای جرم وارد می‌کنند حتی اگه چندین سال نوری از هم فاصله داشته باشند.

ریزگرانش

همه ما شنیده‌ایم که فضانوردان در فضا معلق هستند چون گرانشی وجود ندارد. اما حقیقت این است که در فضا هم گرانش وجود دارد که ریزگرانش نامیده می‌شود، چون بسیار کم است. این ریزگرانش باعث می‌شود فضانوردان در فضا بی وزن به نظر برسند. بدون گرانش در فضا، سیارات نمی‌توانستند دور خورشید بگردند یا ماه دور زمین بچرخد. هرچه فاصله بیشتر شود گرانش ضعیف‌تر می‌شود. در فضا گرانش بسیار کم است، چون همه چیز از زمین بسیار دور است. هم چنین گرانش در جرم‌های کوچک ضعیف‌تر می‌شود. مثلا در اتم گرانش بسیار ضعیف است، اما وقتی اتم‌ها ترکیب شوند قوی‌تر می‌شود.

سفر زمان

سفر زمان رازی است که سال هاست ما را مجذوب خود کرده است. نظریه‌های بسیاری از جمله نظریه گرانش می‌تواند توضیح دهد که چرا سفر زمان ممکن است واقعا وجود داشته باشد. گرانش یک خمیدگی در فضا-زمان ایجاد می‌کند که باعث می‌شود اجسام در مسیر منحنی حرکت کنند. در نتیجه اجسام در فضا نسبت به زمین سریع‌تر حرکت می‌کنند. به طور مثال ساعت‌ در ماهواره‌های فضایی ۳۸ میکروثانیه در روز سریع‌تر حرکت می‌کنند. از آنجا که گرانش در فضا باعث می‌شود اجسام سریع‌تر حرکت کنند، فضانوردان وقتی به زمین برمی گردند مسافر زمان در نظر گرفته می‌شوند. این اثر روی فضانوردان آنقدر کم است که متوجه آن نمی‌شوید. اما سوالی که پیش می‌آید این است که آیا گرانش در نهایت می‌تواند باعث نوعی سفر در زمان شود که در فیلم‌ها می‌بینیم؟