المحتوى
لدى معظم الأشخاص ، الموجودين على نحو علمي أو غير ذلك ، فكرة غامضة على الأقل مفادها أن بعض الكمية أو المفهوم المسمى "الجاذبية" هو ما يحفظ الكائنات ، بما في ذلك نفسها ، على الأرض. إنهم يفهمون أن هذه نعمة بشكل عام ، ولكن أقل من ذلك في مواقف معينة - على سبيل المثال ، عندما تطفو على غصن شجرة وغير متأكدة قليلاً من كيفية العودة إلى الأرض سالمة ، أو عند محاولة إعداد سجل شخصي جديد في حدث مثل القفز العالي أو قبو القطب.
ربما يكون من الصعب تقدير فكرة الجاذبية نفسها حتى ترى ما يحدث عندما يتم تقليل تأثيرها أو طمسها ، مثل عند مشاهدة لقطات لرواد فضاء على محطة فضائية تدور حول الكوكب بعيدًا عن سطح الأرض. وفي الحقيقة ، ليس لدى الفيزيائيين فكرة تذكر عن ما "يؤدي" في النهاية إلى الجاذبية ، أي أكثر مما يمكنهم أن يقولوا لأي منا لماذا يوجد الكون في المقام الأول. ومع ذلك ، فقد أنتج الفيزيائيون معادلات تصف ما تقوم به الجاذبية بشكل جيد ، ليس فقط على الأرض ولكن في جميع أنحاء الكون.
تاريخ موجز للجاذبية
منذ أكثر من ألفي عام ، توصل المفكرون اليونانيون القدامى إلى الكثير من الأفكار التي صمدت إلى حد كبير لاختبار الزمن وبقيت على قيد الحياة. لقد لاحظوا أن الأجسام البعيدة مثل الكواكب والنجوم (المسافات الحقيقية من الأرض ، والتي بطبيعة الحال ، لم يكن للمراقبين أي وسيلة لمعرفة) ، كانت في الواقع مرتبطة ماديًا ببعضها البعض على الرغم من أن من المفترض أن ليس لديهم شيء مثل الكابلات أو الحبال التي تربطهم سويا. في غياب نظريات أخرى ، اقترح الإغريق أن تملي حركات الشمس والقمر والنجوم والكواكب من قبل نزوات الآلهة. (في الواقع ، كل الكواكب تعرف في تلك الأيام أن اسم الآلهة.) في حين أن هذه النظرية كانت دقيقة وحاسمة ، إلا أنها لم تكن قابلة للاختبار ، وبالتالي لم تكن أكثر من مجرد موقف لتفسير أكثر إرضاءًا وصرامة من الناحية العلمية.
منذ حوالي 300 إلى 400 عام مضت ، أدرك علماء الفلك مثل تايكو براهي وجاليليو غاليلي أنه ، على عكس التعاليم التوراتية التي كانت تقارب 15 قرنًا ، كانت الأرض والكواكب تدور حول الشمس ، بدلاً من كون الأرض على الأرض. مركز الكون. هذا مهد الطريق لاستكشاف الجاذبية كما هو مفهوم حاليا.
نظريات الجاذبية
إحدى طرق التفكير في الانجذاب الجاذبي بين الأشياء ، التي عبر عنها الفيزيائي النظري الراحل جاكوب بيكينشتاين في مقال له في CalTech ، هي بمثابة "قوى بعيدة المدى تمارسها هيئات محايدة كهربائيًا على بعضها البعض بسبب محتواها." أي أنه على الرغم من أن الأجسام قد تواجه قوة نتيجة للاختلافات في الشحنة الكهربائية ، فإن الجاذبية تؤدي بدلاً من ذلك إلى قوة بسبب الكتلة المطلقة. من الناحية الفنية ، أنت والكمبيوتر أو الهاتف أو الجهاز اللوحي الذي قرأته على قوى الجاذبية على بعضها البعض ، لكنك أنت وجهازك الذي يدعم الإنترنت صغير جدًا لدرجة أن هذه القوة لا يمكن اكتشافها تقريبًا. من الواضح أنه بالنسبة للكائنات الموجودة على نطاق الكواكب والنجوم والمجرات بأكملها وحتى مجموعات المجرات ، إنها قصة مختلفة.
اقترح إسحاق نيوتن (1642-1727) ، الذي يُعزى إليه كونه أحد أكثر العقول الرياضية الرائعة في التاريخ وأحد المخترعين المشاركين في مجال حساب التفاضل والتكامل ، أن قوة الجاذبية بين كائنين تتناسب بشكل مباشر مع ناتجها الجماهير ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما. يأخذ هذا شكل المعادلة:
Fالمرق = (G × م1 × م2) / ص2
حيث Fالمرق هي قوة الجاذبية في نيوتن ، م1 و م2 هي كتل الأجسام بالكيلوغرام ، r هي المسافة التي تفصل بين الأجسام بالأمتار وقيمة ثابت التناسب G 6.67 × 10-11 (N ⋅ m2)/كلغ2.
بينما تعمل هذه المعادلة بشكل رائع للأغراض اليومية ، تتضاءل قيمتها عندما تكون الكائنات المعنية نسبية ، أي ، تصفها الجماهير والسرعات خارج التجربة الإنسانية المعتادة. هذا هو المكان الذي تأتي فيه نظرية أينشتاين للجاذبية.
نظرية اينشتاين النسبية العامة
في عام 1905 ، نشر ألبرت أينشتاين ، الذي ربما كان اسمه الأكثر شهرة في تاريخ العلوم والأكثر مرادفًا له على مستوى العبقرية ، نظريته النسبية الخاصة. من بين التأثيرات الأخرى التي أحدثها ذلك على مجموعة المعرفة الفيزيائية الحالية ، فقد شكك في الافتراض المضمن في مفهوم نيوتن للجاذبية ، وهو أن الجاذبية سارية المفعول في الحال بين الكائنات بغض النظر عن اتساع انفصالها. بعد أن أثبتت حسابات آينشتاين أن سرعة الضوء ، 3 × 108 م / ث أو حوالي 186000 ميل في الثانية ، وضعت الحد الأعلى على مدى سرعة يمكن نشر أي شيء عبر الفضاء ، وبدا فجأة أفكار نيوتن عرضة للخطر ، على الأقل في بعض الحالات. بمعنى آخر ، بينما استمرت نظرية الجاذبية النيوتونية في أداء مثير للإعجاب في جميع السلبيات التي يمكن تخيلها تقريبًا ، لم يكن من الواضح أنها وصف حقيقي للجاذبية على المستوى العالمي.
قضى أينشتاين السنوات العشر المقبلة في صياغة نظرية أخرى ، من شأنها التوفيق بين إطار نيوتن الأساسي للجاذبية مع الحد الأعلى لسرعة الضوء المفروض ، أو بدا أنه يفرض ، على جميع العمليات في الكون. وكانت النتيجة ، التي قدمها أينشتاين في عام 1915 ، النظرية العامة للنسبية. إن انتصار هذه النظرية ، التي تشكل أساس جميع نظريات الجاذبية حتى يومنا هذا ، هو أنها وضعت مفهوم الجاذبية كدليل على انحناء الزمكان ، وليس كقوة في حد ذاتها. هذه الفكرة لم تكن جديدة تمامًا ؛ أنتج عالم الرياضيات جورج برنهارد ريمان أفكارًا ذات صلة في عام 1854. لكن أينشتاين قد حوّل نظرية الجاذبية من شيء متجذر بحت في القوى الفيزيائية إلى نظرية أكثر أساسًا للهندسة: اقترحت بُعدًا فعليًا رابعًا ، الوقت ، لمرافقة الأبعاد المكانية الثلاثة التي كانت مألوفة بالفعل.
جاذبية الأرض وما بعدها
أحد الآثار المترتبة على نظرية النسبية العامة لآينشتاين هو أن الجاذبية تعمل بشكل مستقل عن الكتلة أو التركيب المادي للأجسام. هذا يعني أنه من بين أشياء أخرى ، تسقط قذيفة مدفعية ورخام سقطت من أعلى ناطحة سحاب نحو الأرض بنفس السرعة ، وسرعان ما تسارعت بقوة الجاذبية على الرغم من كونها أكثر ضخامة من الأخرى . (من المهم أن نلاحظ من أجل اكتمال ذلك أن هذا صحيح من الناحية الفنية فقط في فراغ ، حيث لا تشكل مقاومة الهواء مشكلة. الريشة تسقط بشكل أبطأ مما يحدث في تسديدة اللقطة ، لكن في الفراغ ، لن يكون هذا هو الحال .) كان هذا الجانب من فكرة آينشتاين قابلاً للاختبار بدرجة كافية. ولكن ماذا عن المواقف النسبية؟
في يوليو 2018 ، انتهى فريق دولي من علماء الفلك من دراسة نظام ثلاثي النجوم على بعد 4200 سنة ضوئية من الأرض. في السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في عام واحد (حوالي ستة تريليونات ميل) ، وهذا يعني أن علماء الفلك هنا على الأرض كانوا يلاحظون ظواهر كشف الضوء التي حدثت بالفعل في حوالي 2200 قبل الميلاد. يتكون هذا النظام غير العادي من نجمتين صغيرتين كثيفتين - واحدة تدور حول "النجم النابض" على محورها 366 مرة في الثانية ، والآخر قزم أبيض - يدور حول بعضهما البعض بفترة قصيرة تبلغ 1.6 يومًا. هذا الزوج بدوره يدور حول نجم قزم أبيض بعيد كل 327 يومًا. باختصار ، كان الوصف الوحيد للجاذبية الذي يمكن أن يفسر الحركات المحمومة المتبادلة للنجوم الثلاثة في هذا النظام غير الاعتيادي هو نظرية أينشتاين العامة للنسبية - والمعادلات ، في الواقع ، تتناسب مع الموقف تمامًا.