ما الذي يسبب الجاذبية على الأرض؟

لدى معظم الأشخاص ، سواء أكانوا من منظور علمي أم غير ذلك ، فكرة غامضة على الأقل مفادها أن بعض الكميات أو المفاهيم التي تسمى "الجاذبية" هي ما يُبقي الأشياء ، بما في ذلك أنفسهم ، مقيدة بالأرض. إنهم يفهمون أن هذه نعمة بشكل عام ، ولكنها أقل أهمية في مواقف معينة - لنقل ، عندما تطفو على غصن شجرة وقليلًا غير متأكد من كيفية العودة إلى الأرض سالمة ، أو عند محاولة تسجيل رقم قياسي شخصي جديد في حدث مثل الوثب العالي أو القطب قبو.

ربما يكون من الصعب تقدير فكرة الجاذبية نفسها حتى رؤية ما يحدث عندما يقل تأثيرها أو طمس ، كما هو الحال عند مشاهدة لقطات لرواد الفضاء في محطة فضائية تدور حول الكوكب بعيدًا عن كوكب الأرض سطح - المظهر الخارجي. وفي الحقيقة ، ليس لدى الفيزيائيين فكرة عما "يسبب" الجاذبية في النهاية ، أكثر مما يمكنهم إخبار أي منا عن سبب وجود الكون في المقام الأول. ومع ذلك ، فقد أنتج الفيزيائيون معادلات تصف ما تفعله الجاذبية بشكل استثنائي ، ليس فقط على الأرض ولكن في جميع أنحاء الكون.

منذ أكثر من 2000 عام ، توصل المفكرون اليونانيون القدماء إلى الكثير من الأفكار التي صمدت إلى حد كبير أمام اختبار الزمن وصمدت حتى الحداثة. لقد أدركوا أن الأجسام البعيدة مثل الكواكب والنجوم (المسافات الحقيقية من الأرض التي ، بالطبع ، لم يكن لدى المراقبين سبيل من معرفة) كانت ، في الواقع ، مرتبطة جسديًا ببعضها البعض على الرغم من عدم وجود شيء مثل الكابلات أو الحبال التي تربط بينهما سويا. في غياب النظريات الأخرى ، اقترح الإغريق أن حركات الشمس والقمر والنجوم والكواكب تمليها نزوات الآلهة. (في الواقع ، كل الكواكب التي تعرف في تلك الأيام سميت على اسم الآلهة.) بينما كانت هذه النظرية دقيقة وحاسمة ، لم يكن قابلاً للاختبار ، وبالتالي لم يكن أكثر من مجرد بديل لإرضاء وصرامة علميًا تفسير.

لم يدرك علماء الفلك مثل Tycho Brahe و Galileo Galilei ذلك إلا منذ حوالي 300 إلى 400 عام ، على عكس ما ورد في الكتاب المقدس قرابة 15 قرنًا من العمر ، تدور الأرض والكواكب حول الشمس ، بدلاً من أن تكون الأرض في مركز كون. هذا مهد الطريق لاستكشافات الجاذبية كما هو مفهوم حاليا.

طريقة واحدة للتفكير في الجاذبية بين الأجسام ، والتي عبر عنها الفيزيائي النظري الراحل جاكوب بيكينشتاين في مقال بالنسبة لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، هي بمثابة "قوى طويلة المدى تمارسها الأجسام المحايدة كهربائيًا على بعضها البعض بسبب محتواها من المادة." هذا هو، في حين أن الأجسام قد تتعرض لقوة نتيجة للاختلافات في الشحنة الكهروستاتيكية ، فإن الجاذبية تؤدي بدلاً من ذلك إلى قوة بسبب مجرد كتلة. من الناحية الفنية ، أنت والكمبيوتر أو الهاتف أو الجهاز اللوحي الذي تقرأه تمارسان قوى الجاذبية بعضكما البعض ، لكنك أنت وجهازك المتصل بالإنترنت صغيران جدًا لدرجة أن هذه القوة تكاد تكون معدومة غير قابل للكشف. من الواضح ، بالنسبة للأجسام الموجودة على مقياس الكواكب والنجوم والمجرات بأكملها وحتى عناقيد المجرات ، إنها قصة مختلفة.

اقترح إسحاق نيوتن (1642-1727) ، الذي يُنسب إليه الفضل في كونه أحد أذكى العقول الرياضية في التاريخ وأحد المخترعين المشاركين في مجال حساب التفاضل والتكامل ، أن قوة الجاذبية بين جسمين تتناسب طرديًا مع ناتج كتلتيهما وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بين معهم. هذا يأخذ شكل المعادلة:

حيث F_جراف هي قوة الجاذبية بوحدة نيوتن ، م₁ وم₂ هي كتل الأشياء بالكيلوغرام ، و r هي المسافة التي تفصل بين الأشياء بالأمتار وقيمة ثابت التناسب G هو 6.67 × 10^-11 (نيوتن متر²)/كلغ².

بينما تعمل هذه المعادلة بشكل رائع للأغراض اليومية ، تتضاءل قيمتها عندما تدخل الكائنات السؤال نسبي ، أي موصوف بالجماهير والسرعات خارج نطاق الإنسان النموذجي خبرة. وهنا يأتي دور نظرية أينشتاين في الجاذبية.

في عام 1905 ، نشر ألبرت أينشتاين ، الذي ربما يكون اسمه الأكثر شهرة في تاريخ العلم والأكثر مرادفًا لإنجازات العبقرية ، نظريته النسبية الخاصة. من بين التأثيرات الأخرى التي أحدثها ذلك على مجموعة المعرفة الفيزيائية الحالية ، فقد أدى ذلك إلى التشكيك في الافتراض المبني في فكرة نيوتن مفهوم الجاذبية ، وهو أن الجاذبية سارية المفعول تعمل بشكل فوري بين الأشياء بغض النظر عن اتساعها انفصال. بعد أن أثبتت حسابات أينشتاين أن سرعة الضوء ، 3 × 10⁸ م / ث أو حوالي 186000 ميل في الثانية ، وضعت حدًا أعلى لمدى سرعة انتشار أي شيء عبر الفضاء ، بدت أفكار نيوتن فجأة ضعيفة ، على الأقل في حالات معينة. بعبارة أخرى ، بينما استمرت نظرية الجاذبية النيوتونية في الأداء بشكل مثير للإعجاب في جميع السياقات التي يمكن تخيلها تقريبًا ، فمن الواضح أنها لم تكن وصفًا حقيقيًا للجاذبية.

أمضى أينشتاين السنوات العشر التالية في صياغة نظرية أخرى ، واحدة من شأنها التوفيق بين الجاذبية الأساسية لنيوتن إطار مع الحد الأعلى ، فرضت سرعة الضوء ، أو بدا أنها فرضت ، على جميع العمليات في الكون. كانت النتيجة ، التي قدمها أينشتاين في عام 1915 ، هي النظرية العامة للنسبية. انتصار هذه النظرية ، التي تشكل أساس جميع نظريات الجاذبية حتى يومنا هذا ، هو ذلك لقد صاغ مفهوم الجاذبية باعتباره مظهرًا من مظاهر انحناء الزمكان ، وليس كقوة لكل منهما حد ذاتها. لم تكن هذه الفكرة جديدة تمامًا. أنتج عالم الرياضيات جورج برنارد ريمان أفكارًا ذات صلة في عام 1854. لكن أينشتاين قد حوّل نظرية الجاذبية من شيء متجذر فقط في القوى الفيزيائية إلى أكثر النظرية القائمة على الهندسة: اقترحت بعدًا رابعًا فعليًا ، وهو الوقت ، لمرافقة الأبعاد المكانية الثلاثة التي كانت مألوف بالفعل.

أحد الآثار المترتبة على نظرية النسبية العامة لأينشتاين هو أن الجاذبية تعمل بشكل مستقل عن الكتلة أو التركيب الفيزيائي للأشياء. وهذا يعني ، من بين أمور أخرى ، أن قذيفة مدفع ورخام تم إسقاطهما من أعلى ناطحة سحاب سيسقطان باتجاه الأرض عند نفس السرعة ، متسارعة إلى نفس المدى بالضبط بواسطة قوة الجاذبية على الرغم من أن إحداهما أكبر بكثير من الأخرى. (من المهم أن نلاحظ من أجل الاكتمال أن هذا صحيح تقنيًا فقط في الفراغ ، حيث لا تمثل مقاومة الهواء مشكلة. من الواضح أن سقوط الريشة أبطأ من سقوط الريشة ، ولكن في الفراغ ، لن يكون هذا هو الحال). كان هذا الجانب من فكرة أينشتاين قابلاً للاختبار بما فيه الكفاية. لكن ماذا عن المواقف النسبية؟

في يوليو 2018 ، انتهى فريق دولي من علماء الفلك من دراسة نظام النجوم الثلاثية على بعد 4200 سنة ضوئية من الأرض. السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في عام واحد (حوالي ستة تريليون ميل) ، وهذا يعني أن علماء الفلك هنا على الأرض كانوا مراقبة الظواهر الكاشفة للضوء التي حدثت بالفعل في حوالي 2200 قبل الميلاد. يتكون هذا النظام غير العادي من نجمين صغيرين كثيفين - أحدهما أ "النجم النابض" يدور حول محوره 366 مرة في الثانية ، والآخر قزم أبيض - يدور حول بعضهما البعض مع فترة قصيرة بشكل ملحوظ تبلغ 1.6 أيام. يدور هذا الزوج بدوره حول نجم قزم أبيض أبعد كل 327 يومًا. باختصار ، الوصف الوحيد للجاذبية الذي يمكن أن يفسر الحركات المحمومة المتبادلة للنجوم الثلاثة في هذا كان النظام غير المعتاد للغاية هو نظرية النسبية العامة لأينشتاين - والمعادلات ، في الواقع ، تناسب الموقف تماما.