منو

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

مجله علمی هوپا – اشکان شکیبا - هر روز احساسش می کنیم، بدون اون نمی تونیم راحت به زندگیمون ادامه بدیم؛ اون چیزیه که ما رو روی زمین نگه میداره؛ گرانش!
 

اما گرانش دقیقا چیه؟ و ما چطور به این شناخت ازش دست پیدا کردیم؟ اگه بخوایم گرانش رو بهتر بشناسیم، شاید بهتر باشه ببینیم چطور انسان ها در طول تاریخ سعی کردن اون رو بشناسن. اولین ایده ها و نظریه های مکتوب درباره حرکت طبیعی اجسام به سوی زمین، به قرن ها پیش از میلاد مسیح بر میگردن. حدود 400 سال پیش از میلاد، ارسطو، فیلسوف یونانی، نظریه نسبتاً کاملی رو برای حرکت اجسام ارائه داد؛ نظریه ای نسبتاً کامل، اما کاملاً اشتباه!

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

   ارسطو برای هر چیزی در جهان، منشا و جایگاه طبیعی ای رو در نظر می گرفت؛ همچنین او هر چیزی که در اطرافمون می بینیم رو متشکل از چهار عنصر بنیادی آب، خاک، آتش و باد میدونست. ارسطو معتقد بود هر چیزی توی جهان جایگاهی داره و اگه چیزی توی جایگاه طبیعی خودش نباشه، تلاش میکنه تا به اون برسه! یه تیکه سفال، چون از خاکه، اگه رها بشه به زمین میفته؛ اما دود، چون از هواست، اگه مانعی سر راهش نباشه به هوا میره! اما چیزی مثل پر چطور؟ نظریه ارسطو میگفت که پر، ترکیبی از خاک و هواست، اما با مقدار خاک بیشتر، بنابراین آروم تر از سفال به زمین میفته! بنابراین ارسطو استدلال میکرد که یه تیکه سفال بزرگتر، زود تر به زمین میفته، چون از مقدار خاک بیشتری تشکیل شده! اما خب... امروزه ما میدونیم این اشتباهه. همه اجسام با جرم های گوناگون، اگه همزمان با هم و از ارتفاعی یکسان رها بشن، تقریبا همزمان با هم به زمین میخورن؛ مگر اینکه تاثیر مقاومت هوا روی اونها خیلی زیاد باشه؛ مثل یه پر.

   اما این حرفا توی یونان باستان جایی نداشت! اونجا جایی بود که فیلسوف ها معتقد بودن تنها با تفکر محض میتونن جهان هستی رو بشناسن، بنابراین فکر نمیکردن آزمایش کردن این چیزا خیلی مهم باشه! اما شانس آوردیم که این طرز تفکر خیلی دوام نیاورد؛ فقط دو سه هزار سال!

   اما در قرن شانزدهم میلادی، گالیله ایتالیایی سعی کرد جهان رو با شیوه دیگه ای بشناسه؛ با آزمایش کردن و به کار گرفتن ریاضیات. گالیله با این روش علمی، حرکت های گوناگون اجسام رو بررسی کرد، از جمله حرکت اونها بر اثر نیروی گرانش.

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

    گالیله با به کار گرفتن سطح های شیبدار گوناگون با سطوح مختلف و شیب های متفاوت، به مشاهده حرکت اجسام در اثر نیروی گرانش پرداخت و حاصل کار او، بنای نظریات ارسطو درباره حرکت رو فرو ریخت. همه ما چیز هایی راجع به آزمایش معروف گالیله که دو گوی متفاوت با جرم های نابرابر رو از بالای برج کج پیزا به زمین انداخت شنیدیم و میدونیم که هر دو تا گوی، با هم به زمین افتادن. هر چند واقعیت اینه که این آزمایش رو خود گالیله انجام نداد و یکی از شاگردان او دو تا گوی رو از بالای برج به زمین انداخت، چون گالیله قبلا این رو بار ها آزمایش کرده بود و از نتیجه آزمایش مطمئن بود، اما در هر حال چیزی که مهمه، اینه که آزمایشات گالیله، اساس فیزیک رو، به شکلی که امروز میشناسیم تشکیل داد؛ فیزیک بر پایه ریاضیات و آزمایش! گالیله، چگونگی حرکت اجسام رو به خوبی درک کرد، اما او هم از درک چرایی حرکت اجسام ناتوان بود. اصلاً چرا باید گوی ها به زمین بیفتن؟

   در همون زمان ها بود که یوهان کپلر، کشف کرد که مدار حرکت سیارات به دور خورشید دایره ای نیست، بلکه بیضویه؛ اکتشافات کپلر هم به اکتشافات دیگری پیوست که با نظریه ارسطو، هر چند توجیه می شدن، اما این توجیه ها اصلا منطقی نبودن!

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

   ارسطو، به غیر از چهار عنصر آب، خاک، آتش و باد، عنصر پنجمی رو هم برای جهان در نظر میگرفت؛ اِتِر. جوهر ماورایی که روی زمین گیر نمی اومد، اما اجرام آسمانی از اون ساخته شده بودن. ارسطو میدونست که حرکت اجرام آسمانی از قوانین او پیروی نمی کنن. به نظر می اومد که اونا بدون هیچ دلیلی، دائما در حال حرکتن و هیچ وقت حرکتشون به پایان نمیرسه. برای همین نمیتونستن از مواد معمولی ساخته شده باشن! تنها جسمی که بعضی وقتا حرکت های عجیب و غریبی ازش سر می زد، ماه بود؛ و علت این رو نزدیک بودن ماه به زمین فاسد و فساد اون میدونستن!!!

   قرن ها بود که این تخیلات اشتباه، به عنوان دلیل گردش اجسام آسمانی در نظر گرفته می شد؛ تا اینکه نیوتن پا به دنیای دانش فیزیک گذاشت.

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

   در همون سالی که گالیله از دنیا رفت، آیزاک نیوتن در انگلستان چشم به جهان گشود تا ادامه دهنده راه گالیله باشه. گالیله اثر نیروی گرانشی که زمین به اجسام وارد میکرد رو بررسی کرد، اما نیوتن پا رو خیلی فراتر از این گذاشت. همه ما داستان معروف سیبی که روی سر نیوتن افتاد رو شنیدیم؛ هر چند واقعا سیب به سر نیوتن نخورد، اما این ایده رو توی ذهنش به وجود آورد که اصلاً چرا باید سیب به زمین بیفته؟ نیوتن فهمید که نه تنها زمین، بلکه هر دو جسمی در جهان هستی، به یکدیگر گرانش وارد میکنن. نیرویی که با جرم دو جسم نسبت مستقیم و با مجذور فاصله اونها، نسبت وارون داره؛ اگه جرم هر یک از اجسام دو برابر بشه، نیرویی که به هم وارد می کنن هم دو برابر میشه، یا اگه فاصله بین دو جسم نصف بشه، نیرویی که به هم وارد میکنن چهار برابر میشه. و اگه بخوایم اینها رو وارد دستگاه یکا های SI کنیم، باید به این فرمول یه عدد ثابت هم اضافه کنیم که امروزه با نام «ثابت جهانی گرانش» یا «ثابت نیوتن» شناخته میشه.

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

   حاصل کار نیوتن، دانش فیزیک رو به جایی رسوند که میتونست خیلی چیز ها رو به درستی توجیه کنه؛ چرا سیاره ها به دور خورشید می چرخن؟ چرا ماه به دور زمین می چرخه؟ چرا مدار حرکت همه اینها بیضویه؟ دانشی که نیوتن بر پایه ریاضیات ارائه داد، می تونست به همه این سوالات پاسخ بده؛ وقتی نیروی شما با مجذور فاصله نسبت داشته باشه، مدار حرکتش نه دایره ای، بلکه بیضوی خواهد بود.

   نیوتن گام های خیلی بزرگی رو در این راه برداشت. او تخیلات فلسفی رو کنار زد و قوانینی رو به ما نشون داد که جهان ما بر پایه اونها کار می کردن. نیوتن خرافات رو در نبرد با دانش مغلوب کرد. اما هنوز هم یه سوال قدیمی، بی جواب مونده بود. نیوتن هم نمیدونست علت وجود گرانش چیه. هیچکس نمیتونست بگه که چرا باید هر دو جسمی در جهان، چنین نیرویی به هم وارد کنن.

   هیچ پاسخ علمی برای این سوال وجود نداشت؛ تا اینکه در قرن بیستم، دانش فیزیک تکون های زیادی خورد! دو نظریه جدید پا به عرصه گذاشتن که امروزه اونها رو با نام فیزیک نوین میشناسیم؛ نسبیت عام و مکانیک کوانتومی. این دو نظریه چیز هایی رو بررسی میکردن که توی زندگی روزمره باهاشون مواجه نمیشیم. هر دوی این نظریه ها کامل و درست بودن، هر دوی اونها از آزمایشات مختلف سر بلند بیرون اومده بودن، اما هر دوی اونها هم نمی تونستن درست باشن!

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

   نظریه نسبیت، ویژگی های اجسام رو، زمانی که با سرعت های بسیار بالا در حرکت بودن رو بررسی می کرد، اما نظریه کوانتومی به بررسی ابعاد بسیار ریز می پرداخت؛ ذرات بنیادی! اما مشکل از جایی شروع می شد که میخواستیم هر دوی اونها رو برای بررسی یه پدیده به کار ببریم. چیز هایی بودن که نسبیت و کوانتوم، اونها رو به شکل های مختلفی در نظر می گرفتن، و یکی از اونها گرانش بود!

   نظریه نسبیت، دید ما رو نسبت به جهانمون تغییر داد. نسبیت میگفت که فضا و زمان چیز هایی مطلق نیستن، بلکه هر دو پدیده های پویایی هستن که قابل تغییرن! اگه بخوایم گرانش رو با نظریه نسبیت توضیح بدیم، میتونیم از یه مثال ساده استفاده کنیم.

   یه صفحه پلاستیکی و انعطاف پذیر رو در نظر بگیرین که از چهار گوشه اش داره کشیده میشه. حالا اگه یه گوی سنگین رو وسطش بندازیم، گوی صفحه رو خم میکنه و میره پایین و اینطوری، گوی شکل صفحه رو تغییر میده.

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

   نظریه نسبیت میگفت که فضا و زمان هم مثل اون صفحه پلاستیکی خم میشن! هر چیزی میتونه فضا-زمان رو خم کنه و بهش شکل جدیدی بده؛ و هر چه جرمش بیشتر باشه، این خمیدگی هم بیشتره.

   حالا نسبیت میتونست بگه که چرا گرانش، میتونه حتی مسیر حرکت نور رو هم خم کنه! در واقع نور خم نمی شد، نور فقط می خواست که کوتاه ترین مسیر رو طی کنه، و وقتی فضا خم شده باشه، کوتاه ترین مسیر هم خم میشه.

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

   آزمایشات گوناگون، درستی نظریه نسبیت رو تایید کردن. مقایسه مکان ستارگان در شب و بدون حضور خورشید با مکان اونها در روز و در هنگام خورشید گرفتگی، نشون میداد که جرم زیاد خورشید، میتونه مسیر حرکت نور ستاره ها رو خم کنه و باعث بشه که ما اونها رو در جای دیگه ای از آسمون ببینیم.

   خورشید مثل همون گوی سنگین بر روی صفحه پلاستیکی بود و سیارات، مثل تیله های کوچکی که اگه روی صفحه رهاشون کنیم، به سمت خمیدگی که گوی بزرگتر به وجود آورده حرکت میکنن. حالا کافیه این تیله ها، سرعت اولیه کافی داشته باشن تا بتونن دور این گوی بزرگ بچرخن؛ این تعبیر نظریه نسبیت از گرانشه، البته بدون در نظر گرفتن ریاضیات پیچیده اش. اما نظریه کوانتوم حرفای دیگه ای برای گفتن داشت.

   نظریه کوانتومی، جهان هستی رو مجموعه ای از ذرات بنیادی در نظر می گرفت که برخی از اونها تشکیل دهنده ماده و گروهی دیگر به وجود آورنده نیرو ها بودن.

   نظریه کوانتومی، تغییرات جهان ما رو حاصل چهار نیروی بنیادی میدونست و میگفت همه نیرو های اطراف ما، یه شکلی از همین چهار نیرو هستن؛ نیروی الکترومغناطیس، نیروی گرانش، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف (به نظر میاد نامگذاری این دو نیروی بنیادی خیلی خلاقانه نبوده، چون اونها دو نیروی متفاوتن!)

   در نظریه کوانتومی برای هر نیرو، یه ذره بنیادی به عنوان حامل اون نیرو در نظر گرفته میشه. وقتی دو تا اتم به هم گرانش وارد می کنن، در واقع دارن ذره ای که حامل نیروی گرانشه رو با هم رد و بدل می کنن. ذره ای که توی مدل ذرات بنیادی با نام «گراویتون» شناخته میشه.

داستان گرانش، از ابتدا تا امروز

    پیش بینی های نظریه کوانتوم درباره سه نیروی بنیادی دیگه درست بود. ما تونستیم ذرات بنیادی حامل اون نیرو ها رو توی شتابدهنده هامون آشکارسازی کنیم. گلوئون ها، بوزون های W و Z و فوتون ها؛ اما هیچ ردپایی از گراویتون رو تا حالا شناسایی نکردیم. همچنین نظریه کوانتومی، این چهار نیرو رو در واقع نیرویی واحد میدونست که در جهان ما به چهار شکل گوناگون ظاهر میشن. این پیش بینی هم درباره سه نیروی دیگه تایید شد؛ اما درباره گرانش، هنوز نه! ما تونستیم توی شتابدهنده های ذرات و در انرژی های بسیار زیاد، شرایطی رو به وجود بیاریم که سه نیروی دیگه به شکل یه نیروی واحد در اومدن.

   اما گرانش چطور؟ ما نتونستیم گرانش رو با نیرو های دیگه متحد کنیم و حتی نتونستیم گراویتون ها رو آشکار سازی کنیم. اما اگه نظریه کوانتومی، به شکلی که ما فکرش رو میکنیم درست باشه، باید همچین چیزی وجود داشته باشه؛ هر چند نظریه نسبیت، عامل وجود گرانش رو چیز دیگه ای میدونه.

   گیج کننده به نظر میاد، ما فکر می کنیم که خیلی چیزا راجع به گرانش میدونیم؛ اما شاید آیندگان، جایی که ما هستیم رو تنها آغاز راه شناخت گرانش بدونن...

نوشته: اشکان شکیبا

نظر شما :
● فارسی نویس
نام کاربری :

کلمه عبور :


 تذکر :   تنها اعضای سایت مجاز به ارسال نظر می باشند. جهت عضویت در سایت   اينجـــا   کلیک کنید.