نیروی گرانش

[vahid 71]

بررسی نیروی گرانش

وحید دبیرپور

رشته تحصیلی:مهندسی مکانیک
دانشگاه آزاد اسلامی واحد دزفول



در ابتدا با 3 قانون مهم در فیزیک که نیوتن آنها را معرفی و به قوانین نیوتن معروفند می پردازیم. این قوانین هنوز پس از سال ها، بعد از نیوتن استفاده می شوند و برای توجیه بسیاری از پدیده های فیزیک کاربرد دارند.
قوانین نیوتن به سه گونه معرفی می شوند.
این قوانین سه گانه عبارتند از:
قانون اول: اگر برایند نیروهای وارد به جسم صفر باشد جسم حالت سکون و یا حرکت یکنواخت خود را ادامه می دهد.
قانون دوم: شتابی که جسم در جهت برآیند نیروها می گیرد با مقدار برآیند آنها رابطه ی مستقیم و با جرم جسم رابطه عکس دارد.
∑F = ∑ma
قانون سوم: هر عملی عکس العملی دارد و مساوی با آن و در جهت مخالف است.
این قوانین سه گانه به قوانین نیوتن معروفند و همان طوری که می دانیم برای توجیه بسیاری از پدیده های مختلف به کار می رود.
قانون سوم نیوتن بیان می کند که اگر به جسمی نیرو وارد کنیم جسم نیز همان نیرو را به ما بازتاب می کند ، که به آن نیروی بازتاب می گوییم.
بازتاب نیرو در اجسام مختلف با هم متفاوت است و بستگی به نیرویی دارد که جسم وارد می کند، و همچنین به جنس آن رابطه مستقیم دارد.
به عنوان مثال اگر یک جسم شکننده مثل یک تخم مرغ را به طرف یک تشک پر از باد پرتاب کنیم پس از اصابت تخم مرغ به تشک، تشک تمام نیرویی را که تخم مرغ به تشک وارد می کند را بازتاب نمی کند.
یعنی آن را به خود می گیرد. یا به عبارت دیگر به جای دیگر وارد می کند ولی اگر تخم مرغ را با همان نیرویی که به تشک پرتاب کردیم به یک تکه سنگ پرتاب کنیم تخم مرغ خواهد شکست.
پس سنگ نیروی بیشتری را به تخم مرغ وارد می کند.

دلیل این امر این است که سنگ بیشتر نیرویی را می گیرد به همان نقطه ای که تخم مرغ پرتاب کرده در کمترین تأخیر به تخم مرغ وارد می کند.

- هیچ وقت مقدار نیروی بازتاب برابر نیروی وارد شده نیست.
- جهت نیروی بازتاب با راستایی که نیرو وارد شده برابر و مخالف است.
- گاهی اوقات این نیرو به صورت امواج صوتی بازتاب می شود.

مقدار نیروی بازتاب برابر با مضربی از نیروی ورودی است.

نیروی ورودی= F1
نیروی بازتاب= F2 F2= KF1
مضرب صحیح= k

K را می توان ضریب سختی اجسام یا چگالی در نظر گرفت.
جرم جسم = m
حجم جسم= v
این رابط در اجسام سخت (جامد) کاربرد دارد ولی در مایعات و گازها متفاوت است. اگر جسمی را به سطح مایع پرتاب کنیم هر چه نیرو بیشتر باشد مایع مقاومت بیشتری در برابر آن نشان می دهد یا به عبارت دیگر سخت تر می شود و نیروی بیشتری نسبت به نیروی ورودی بازتاب می کند.





فیزیک نوین:
فیزیک نوین اولین بار با نظریه های کوانتوم و نسبت شکل گرفت و دید ما را نسبتاً به جهان تغییر داد.
تصور جهان در چهار بعدی و ابعاد اضافی
اگر ما فضا را یک بعد در نظر بگیریم و آن را با x نمایش دهیم به صورت یک خط می توان آن را تصور کرد که در آن این خط دارای ضخامت نیست.
اگر از این فضای یک بعدی خارج شویم به فضای دو بعدی روی می آوریم. آن را با x2 نشان
می دهیم و دارای دو محور است می توان آن یک یک صفحه کاغذ با ضخامت بسیار اندک در نظر گرفت.
تصور بودن در این جهان دو بعدی بسیارزشت است.
حال با اضافه کردن خطی دیگر که دو خط دیگر عمود باشد به همان فضای سه بعدی می رسیم که آن را با x3 نشان می دهند.
حال اگر به این فضای سه بعدی یک بعد دیگر عمود کنیم به بعد چهارم می رسیم که با x4 نشان می دهیم. در این فضا می توانیم داخل فضای سه بعدی را نظاره گر شد که به همین ترتیب می توان ابعاد اضافی دیگر را نیز توجیح کرد.










اصل نسبیت:
اصل نسبیت یکی از اصول موضوعه نظریه نسبیت خاص است که انیشتین در سال 1905 میلادی آن را مطرح کرد. مطابق این اصل:
قوانین فیزیک در تمام چارچوب های لَخت شکل یکسانی دارند.
اصل نسبیت (با کمی ساده سازی و چشم پوشی از برخی جزئیات) می گوید که اگر شما در آزمایشگاه سربسته ای قرار داشته باشید و آن آزمایشگاه با سرعت ثابتی نسبت به زمین حرکت کند، شما با هیچ روشی نمی توانید تعیین کنید که سرعتتان نسبت به زمین چقدر است. (در این بیان از اصل نسبیت فرض شده است که زمین یک چارچوب لخت است این موضوع درباره زمین فقط به تقریب صادق است) و نیز فرض شده است که شما نسبت به زمین به نرمی حرکت می کنید و آزمایشگاه هیچ لرزش و تکانی ندارد.) به زبان دیگر، هیچ تمایزی میان یک چارچوب لخت و چارچوب لخت دیگری که با سرعت ثابتی نسبت به آن حرکت می کند، وجود ندارد، یعنی هیچ چارچوب لخت متمایزی وجود ندارد.
تاریخچه:
اصل نسبیت پیش از انیشتین به شکل محدودتری بیان شده بود. گالیله اولین بار اشاره کرد که هیچ راهی وجود ندارد که مشخص کنیم که آیا جسمی به طور یکنواخت حرکت می کند یا ساکن است. در مکانیک نیوتنی هم که در آن شتاب به جای سرعت نقش بسیار مهمی دارد، این اصل به شکل بسیار دقیقی درباره قوانین مکانیک بیان شده بود. اما انیشتین اصل نسبیت را به برهمکنشهای الکترومغناطیسی و، با قبول فرض هایی، به همه قوانین فیزیک تعمیم بود. این اصل برای انیشتین به صورت ابزار مهمی برای کشف شکل صحیح قوانین فیزیک درآمد.

نسبت خاص:
نسبیت خاص نظریه ای درباره برخی از مهمترین مفاهیم فیزیک، یعنی زمان و مکان است. این نظریه در سال 1905 میلادی توسط آلبرت انیشتین مطرح شد. نسبیت خاص درک فیزیکی ما از فضا و زمان را، که پیش از این با مکانیک کلاسیک فهمیده می شد، گسترش داد و اصلاح کرد.
اثرهای نسبیت خاص برای اجسامی که با سرعت های بسیار زیاد (نزدیک به سرعت نور)حرکت می کنند مهم می شود. برای اجسامی که سرعت شان بسیار کمتر از سرعت نور است (یعنی تقریباً همه پدیده های روزمره) نسبیت خاص به همان نتایجی منجر می شود که پیش از این در فیزیک کلاسیک نیز به تقریب پیش بینی می شد. بنابراین در مطالعه بسیاری از پدیده های روزمره همچنان از مکانیک کلاسیک استفاده می شود.
نسبیت خاص از چند فرض بنیادی به دست می آید. با این فرض ها (اصل موضوع ها) می توان به طور منطقی تمام این نظریه را به دست آورد. البته در همه نظریههای فیزیکی فرض های بسیار زیاد دیگری نیز وجود دارند که معمولاً به صراحت بیان نمی شوند.

اصل موضوع اول: سرعت جهانی نور
سرعت نور در خلاء (c) برای تمام ناظران لَخت ثابت است و به حرکت چشمه نور یا حرکت ناظر بستگی ندارد.
اگر شما سوار اتومبیلی باشید که با سرعت 50 کیلومتر بر ساعت حرکت می کند، و اتومبیل دیگری با سرعت 20 کیلومتر بر ساعت به شما نزدیک شود، سرعت نسبی اتومبیل شما و اتومبیل مقابل 70 کیلومتر بر ساعت خواهد بود. اما، طبق اصل موضوع اول نسبیت خاص، اگر چشمه نوری با سرعت دلخواهی به شما نزدیک شود، و شما هم با سرعت متفاوتی به سمت آن چشمه حرکت کنید، باز هم سرعت نور نسبت به شما همان c خواهد بود. این ادعا کاملاً مخالف شهود روزمره ما از حرکت و سرعت اجسام است.

اصل موضوع دوم: اصل نسبیت
قوانین فیزیک در تمام چارچوب های لَخت شکل یکسانی دارند.
اصل نسبیت (با کمی ساده سازی و چشم پوشی از برخی جزئیات) می گوید که اگر شما در آزمایشگاه سربسته ای قرار داشته باشید و آن آزمایشگاه با سرعت ثابتی نسبت به زمین حرکت کند، شما با هیچ روشی نمی توانید تعیین کنید که سرعت تان نسبت به زمین چقدر است. (در این بیان از اصل نسبیت فرض شده است که زمین یک چارچوب لخت است این موضوع درباره زمین فقط به تقریب صادق است) و نیز فرض شده است که شما نسبت به زمین به نرمی حرکت می کنید و آزمایشگاه هیچ لرزش و تکانی ندارد.) به زبان دیگر، هیچ تمایزی میان یک چارچوب لخت و چارچوب لخت دیگری که با سرعت ثابتی نسبت به آن حرکت می کند، وجود ندارد، یعنی هیچ چارچوب لخت متمایزی وجود ندارد.
تبدیلات لورنتس:
تبدیلات لورنتس در نسبیت خاص معادله هایی هستند که مختصه های فضایی و زمانی یک رویداد را از دید دو ناظر مختلف به هم تبدیل می کنند، یعنی اگر یک ناظر برای رویداد خاصی در فضا- زمان مختصه های مکانی
پیامدهای نسبیت خاص:
دو اصل موضوع نسبیت خاص به همراه فرض های دیگری، مانند همگن و همسانگرد بودن فضا، منجر به نتایجی می شوند که همانند خود این اصل موضوع ها خلاف شهود و تجربه های روزمره ما هستند. با وجود این، پیامدها بارها در آزمایش های گوناگون آزموده شده و مورد تأئید قرار گرفته اند. امروزه نسبیت خاص کاملاً پذیرفته شده است و جزئی از دانش عملی هر فیزیکدانی به شمار می آید. این پدیده ها به طور ریاضی از تبدیلات لورنتس نتیجه می شوند.
نسبی بودن هم زمانی:
اگر یک ناظر لَخت دو پدیده (آ) و( ب) همزمان ببیند، ناظر لخت دیگری که با سرعت نسبت با ناظر اول حرکت می کند، بسته به شرایط ممکن است پدیده (آ) را زودتر، همزمان، یا دیرتر از پدیده (ب) ببیند. همزمانی در نسبیت خاص معنای مطلق و نیوتنی خود را از دست می دهد و پدیده ای نسبی می شود.
انقباض طول:
یک میله که در راستای طول خود در حرکت است، به چشم یک ناظر ساکن، کوتاه تر به نظر می رسد. به زبان ریاضی:
طول میله از دید ناظر S’ است که با سرعت نسبت به چارچوب S که میله در آن ساکن است، حرکت می کند. طول میله در چارچوب سکون S است.
اتّساع زمان:
یک ساعت متحرک، به چشم یک ناظر ساکن، کندتر از ساعت مشابهی که ساکن است کار می کند. به زبان دیگر، زمان در چارچوب متحرک، به چشم ناظر ساکن، کندتر می گذرد. این پدیده ربطی به ساختار فیزیکی ساعتها ندارد.
اگر ناظر S یک بازه زمانی را اندازه بگیرد، ظاهر S’ همان بازه زمانی را اندازه می گیرد: یعنی ناظر متحرک آن بازه را طولانی تر می بیند.
تعریف جدید تکانه:
وقتی به جسمی نیرو وارد می شود، آن جسم شتاب می گیرد. در تصویر نیوتنی این شتاب از روابط به دست می آید. در تصویر نسبیتی، تکانه به صورتی تعریف می شود تا با اصول نسبیت سازگار باشد. به زبان ریاضی:
در این رابطه جرم سکون ذره است، یعنی جرم ذره در چارچوبی که نسبت به ذره ساکن است.
برخی از مردم ضریب را به جرم ذره نسبت می دهند. و برخی آن را به خود تکانه. از دیدگاه دسته دوم جرم ذره کمیتی ناورد است و تکانه یک کمیت فیزیکی همورد است.

هم ارزی جرم و انرژی:
انرژی کل یک ذره در نسبیت خاص برابر است با E = mc2
که در آن m جرم ذره و c سرعت نور است. انرژی در حال سکون ذره برابر است با
که در آن جرم سکون ذره است.

برخی از کاربردهای نسبیت خاص:
انرژی اتمی، چه نوع انفجاری اش (در بمب اتمی) و چه نوع کنترل شده اش (در نیروگاه هسته ای) از رابطه معروف پیروی می کند.
جهش گونه های زیستی:
یکی از منشاء های احتمالی برای جهش های ژنتیکی، پرتوهای کیهانی است. جزء اصلی پرتوهای کیهانی که به سطح دریا می رسند، ذره ای به نام میوئون است. این ذره در لایه های بالایی جو از برخورد اتمها با پروتونهای پرتوهای کیهانی ساخته می شود و بسیار ناپایدار است. میوئون ها سرعت بسیار زیادی دارند و اگر به خاطر اتساع زمان نسبیتی، طول عمرشان زیاد نمی شد، این ذره ها خیلی پیش از آن که به سطح دریا برسند، نابود می شدند.
سامانه موقعیت یاب جهانی (جی پی اس) متشکل از ماهواره هایی است که در مدار زمین قرار دارند. گیرنده های ویژه ای موسوم به گیرنده های جی پی اس به کمک این ماهواره ها می توانند طول و عرض جغرافیایی و زمان را با دقت زیادی اندازه بگیرند. در طراحی این ماهواره ها و گیرنده ها، اثرات نسبیت خاص (و نیز اثرات نسبیت عام) به دقت در نظر گرفته شده اند و بدون آنها این سیستم کاملاً بی فایده می شد.
نسبیت عام:
نسبیت عام نظریه ایست که در سال 1915 توسط انیشتین مطرح شد. این نظریه تعمیمی بر نظریه نسبیت خاص است که در مورد تمامی ناظرها اعم از لخت و غیر لخت صحبت می کند. در این نظریه فضا- زمانِ توسط هندسه ریمانی بررسی می شود. این نظریه گرانش را به عنوان یک عامل هندسی و نه یک نیرو بررسی می کند. پایه نظری گرانش کیهان شناسی این نظریه و تعمیم های آن است.
اصل هم ارزی:
هیچ ناظری نمی تواند فقط با آزمایش موضعی بین شتاب و میدان گرانشی تفاوت قائل شود.
اصل ماخ:
اصل ماخ، اساسی ترین اصل نسبیت عام، به صورت های مختلفی تعبیر می شود. قویترین صورت این اصل عبارتست از:
«ماده هندسه را تعیین می کند و عدم وجود آن مبنی بر عدم وجود هندسه است.»
نسبیت عام با این صورت اصل ماخ سازگار نیست. (اگر ماده وجود نداشته باشد یعنی معادلات نسبیت عام دارای حل مستند و هندسه های مختلفی را توصیف می کنند.)
اما به صورت دیگری از اصل ما که نسبیت عام با آن سازگار است عبارتست از:
«توزیع ماده چگونگی هندسه را تعیین می کند.» ماده تعیین می کند که فضا چگونه خمیده شود.
صورت دیگری از اصل ماخ که با نسبیت عام سازگاری ندارد و نزدیکترین صورت به بیان ماخ است عبارتست از:
«یک جسم در فضای کاملاً تهی، هیچ خاصیت هندسی به خود نمی گیرد.»
اصل هموردایی عام:
تمام ناظرین اعم از لَخت و غیر لخت هم ارزند. در اصل هموردایی همچنین می‌خوانیم: عموماً هر تبدیل از چارچوب لخت به چارچارچوب دیگر که با سرعت V در حال حرکت است، خصوصیات فیزیکی را ثابت نگاه می‌دارد. در اصل هموردایی شرایط فیزیکی به گونه‌ای هستند که تا اندازه‌ای تعبیر و تبیین ریاضی آن‌ها در تمام چارچوب‌ها یکسان است. نیز اینکه ناوردایی، مهم‌ترین نکته در این رابطه محسوب می‌شود که در نسبیت عام عنصر جهان خط ds2 به عنوان ناوردای اساسی مطابق با اصل هموردایی بوده و همواره تحت تمامی تبدیلات مختصات ثابت می‌ماند. این بیان تازمانی ارزشمند است که متریک gμν مختص چارچوب مورد نظر تغییری نکند. یعنی تنها هنگامی اصل هموردایی معتبر است که خصوصیات فضا و زمان دو چارچوب یکسان بوده و تنها این بیان مستقیماً به لختی و یا نالختی چارچوب ثانویه دلالت داشته باشد.
اصل کمینه جفتیدگی گرانشی:
این اصل چگونگی گذار از نسبیت خاص به عام را بیان می کند.
هنگام گذار از نسبیت خاص به نسبیت عام نیازی به افزودن جملات غیر ضروری به معادلات نسبیت خاص نمی باشد.
اصل همخوانی:
نظریه نسبیت عام در حالت های حدی به گرانش نیوتنی و نسبیت خاص تبدیل می شود.
سیاه چاله:
سیاه چاله که اولین بار انیشتین در معادلات خود آنها را کشف و اثبات کرد که جسم سیاه رنگ در فضا که دارای گرانشی بسیار قوی است. این گرانش به اندازه ای است که اجازه عبور نور را از خود نمی دهد.
اگر ما فرض کنیم بتوان زمین را کوچک کنیم( به طوری که چیزی از آن کم نشود و گرانشی تغییر نکند) وآن را به چند میلی متر برسانیم یک سیاه چاله درست کردیم.
سیاه چاله ها زمانی تشکیل می شود که در یک ستاره عمرش تمام شود. وقتی ستاره ها عمرشان تمام می شوند به سرعت جمع می شوند و در مرکز خود یک سیاه چاله به وجود می آورند که دارای میدان گرانشی بسیار قوی است. این نوع ستاره ها قبل از انفجار حجمی حدود چند ده برابر جسم خورشید را دارند.
زمان:
انیشتین در معادلات نسبت خود ثابت که هرچه ارتفاع از زمین بیشتر باشد زمان سریع تر می گذرد. به این معنی که زمان برای فردی که در زمین هست و فردی که در بالای یک آسمان خراش است کندتر می گذرد. به عنوان مثال 32 ماهواره موقعیت یاب جهانی در بالای زمین در حال چرخش هستند. این ماهواره ها دارای ساعت هایی بسیار دقیق هستند. ثابت شده این ساعت ها سریع تر از همان ساعت در روی زمین کار می کنند به جلو می رود یعنی زمان سریع تر می گذرد. این یعنی 9 کیلومتر اشتباه در این موقعیت یاب ها که دانشمندان با کند کردن این ساعت ها توانسته اند مشکل را حل کنند.
این پدیده ها به دلیل حجم زمین است. حجم در فضا باعث کاهش سرعت حرکت زمان می شود.
با این نظریه ما می توانیم در زمان سفر کنیم یا به عبارتی زمتن را دور بزنیم یا زمان را کند کنیم.
اگر با یک فضاپیمای بسیار سریع به سیاه چاله بسیار دور از زمین سفر کنیم طبق نظریه افرادی که در این فضاپیما به دور سیاه چاله می گردند زمان برای آنها به اندازه تقریباً نصف زمانی که ما بر روی زمین هستیم می گذرد. و اگر دوباره به زمین برگردند سرنشینان فضاپیما توانسته اند زمان را دور بزنند.
یک راه دیگر این کار این است که از بعد چهارم استفاده کنیم در فضا تمام ذرات فقط می توانند در نهایت سرعت خود یعنی سرعت خود حرکت کنند.
اگر ما یک قطار داشته باشیم که بتواند در روی زمین خود را به نزدیک سرعت نور یعنی 99.9% آن دست یابد اگر این قطار به دور زمین شروع به چرخش کند سرنشینان این قطار می توانند زمان را دور بزنند.
زمان برای سرنشینانی که در قطار هستند کندتر می گذرد. برای تجسم این حالت کودکی را در نظر بگیرید که می خواهد در طول این قطار بدود. سرعت کودک با سرعت حرکت قطار جمع مشودو همانطورکه می دانید نمی توان فراتر از سرعت نور حرکت کند. این باعث کندتر شدن سرعت حرکت او و سرعت گذر زمان می شود. چنین قطاری می تواند در هر ثانیه 7 بار به روی زمین بچرخد. اگر سرنشینان این قطار بعد از 1 هفته از حرکت خود باز ایستند زمان بر روی زمین 100 سال به جلو پیشرفت کرده و این یعنی معنای واقعی دور زدن زمان. لازم به ذکر است این کُند شدن زمان روی عمر انسان تأثیر می گذارد. یعنی باعث می شود فرد دیرتر پیر شود و سرعت پیر شدن انسان را کاهش می دهد.
مشکلات قوانین نسبیت و نیوتن:
همان طور که می دانید هیچ نظریه ای 100% درست و 100% نادرست نیست. به عبارت دیگر هر نظریه ای دارای مشکلاتی است که می تواند قسمتی از نظر و یا همه ی آن را زیر سوال ببرد.
مشکلات قوانین نیوتن:
هنگامی که نیوتن قوانین حرکت و قانون جهانی گرانش را ارائه کرده این از نظر منطقی با اشکالات جدی همراه بود. قانون دوم نیوتن ma = f تا سرعت های نامتناهی را پیشگویی می کرد که با تجربه سازگار نیست.
مهمترین مشکل قوانین نیوتن در قانون جهانی گرانش وی بود و خود نیوتن نیز متوجه آن شده بود.
نیوتن دریافت که بر اثر قانون گرانش او، ستارگان باید یکدیگر را جذب کنند وبنا براین اصلاً به نظر نمی رسد که ساکن باشند. نیوتن در سال 1692 طی نامه ای به ریچارد بنتلی نوشت «اگر مقدارستارگان جهان بینهایت نباشد. و این ستارگان در ناحیه ای از فضا پراکنده باشند. همگی به یکدیگر برخورد خواهند کرد. اما اگر تعداد نامحدودی ستاره در فضای بیکران به طور کمابیش یکسان پراکنده باشند نقطه مرکزی در کار نخواهد بود تا همه بسوی آن کشیده شوند و بنابراین جهان در هم می ریخت.»
مشکل دیگر قانون گرانش نیوتن این است که طبق این قانون یک جسم به طور نامحدود می تواند سایر اجسام را جذب کرده و رشد کند یعنی جسم می تواند تا بینهایت افزایش یابد این نیز با تجربه تطبیق ندارد.
مشکل نسبیت خاص:
مشکل نسبیت خاص در این است که جرم نسبیتی آن (جرم بینهایت) مانند سرعت بینهایت در مکانیک کلاسیک با تجربه تطبیق نمی کند. یعنی هیچ نمونه ی تجربی که با جرم بینهایت نسبیت تطبیق کند وجود ندارد.
علاوه بر آن در نسبیت و حتی در مکانیک کوانتوم توضیحی وجود ندارد که نحوه ی تولید فوتون را با سرعت نور توضیح بدهد. و چرا فوتون در حالت سکون یافت نمی شود. آیا فوتون از ذرات دیگری تشکیل شده است؟ اگر جواب منفی است این سوال مطرح می شود که فوتون های مختلف با یکدیگر چه اختلافی دارند؟ در حالیکه همه ی فوتون ها با انرژی متفاوت با سرعت نور حرکت می کنند. آزمایش نشان داده است که فوتون در برخورد با سایر ذرات می تواند قسمتی از انرژی خود را از دست بدهد. حال این سوال مطرح می شود که فرض کنیم فوتون شامل ذرات دیگری نیست، این را باید توضیح داد که چرا وقتی قسمتی از آن جدا می شود، باز هم دارای همان خواص اولیه است ولی با انرژی کمتر؟ یعنی فوتون قابل تقسیم است، هر ذره ی قابل تقسیمی باید شامل زیر ذره باشد.
واقعیت این است که فوتون در شرایط نور تولید می شود و اجزای تشکیل دهنده آن نیز بایستی با همان سرعت نور حرکت کنند و حالت سکون فوتون یعنی تجزیه ی آن به اجزای تشکیل دهنده اش. از طرفی می دانیم جرم و انرژی هم ارز هستند، آیا این منطقی است که می توان مقدار سرعت جرم را تغییر داد اما سرعت انرژی ثابت است؟
مشکل نسبیت عام:
بنابر نسبیت، گرانش اثر هندسی جرم بر فضای اطراف خود است. که فضا- زمان نامیده می شود. یعنی جرم فضای اطراف خود را خمیده می کند و مسیر نور در اطراف آن خط مستقیم نیست، بلکه منحنی است.
در سال 1919 انحنای فضا را هنگام کسوف کامل خورشید با نوری که از طرف ستاره ی مورد نظری به سوی زمین در حرکت بود و از کنار خورشید می گذشت مورد تحقیق قرار دادند که با پیشگویی نسبیت تطبیق می کرد. این موفقیت بسیار بزرگی برای نسبیت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسی و خواص توپولوژیک فضا بررسی واقعیت های فیزیکی را به حاشیه راند. مضافاً این که گرانش را از فهرست نیروهای اساسی طبیعت در فیزیک نظری حذف کرد.
گرانش:
از ابتدا دانشمندان به دنبال راز وجود جاذبه بوده اند. زمین وقتی به دور خورشید می چرخد یک نیروی رو به جلو وارد می کند. این نیروی رو به جلو از برآیند دو نیرو که یکی بر اثر چرخش به دور خورشید و چرخش به دور خودش تشکیل می شود. این نیرو همان نیرویی است که نیوتن گفته بود از مرکز زمین به سمت داخل وارد می شود که در اصل این نیرو به سمت بیرون به اجسام روی زمین وارد می شود.






a: مدار چرخش زمین به دور خورشید.
b: نیرویی که مدار a به زمین وارد می کند.
c: نیرویی که زمین از چرخیدن به دور خودش وارد می کند.
d: برایند نیرو های چرخشی زمین که از مرکز زمین به سمت بیرون است.

طبق قانون سوم نیوتن که در اول مقاله به آن اشاره کردم یک نیروی بازتاب از ما به زمین وارد می شود که ما گمان می کنیم نیرو را خود زمین به ما وارد می کند که این تفکر اشتباه است . اتمسفر در تمام سطح زمین قرار دارد و مانند زنجیری دور زمین را فرا گرفته است.
مولکول های هواکره مانند توری در سراسر زمین کشیده شده است.
همین طور که زمین به ما نیرو وارد کرد همینطور به هواکره نیرو وارد می کند این نیرو دوباره طبق قانون بازتاب به زمین برگردانده می شود.
اگر یک شهاب سنگ به هواکره کوچکترین برخوردی را داشته باشد،هواکره نیز نیرو را به شهاب سنگ می دهد و این نیرو بازتاب شهاب سنگ را به سمت زمین جذب می کند.
به عبارت دیگر با دست خود یک سنگ را گرفته ایم و می چرخانیم سنگ ثابت ولی دست ما به سنگ نیرو وارد می کند و هر چه سرعت دست ما بیشتر باشد سنگ به دست ما فشار بیشتری وارد می کند.
همین اتفاق در زمین هم اتفاق می افتد و ما حس می کنیم که زمین ما را به سمت خود می کشد که اینطور نسبت این حرکت زمین هم به دور خود و هم به روی خورشید باعث میشود که حرکتی مکمل باعث ایجاد جاذبه در آن شوند.
این جاذبه به جرم، قوس دایره ای که سیاره ای فضا می چرخد و همچنین سرعت آن نیز بستگی دارد. با این فرض ما می توانیم بگوییم که ستارگان نیز دارای حرکت هستند و دو حرکت دورانی و چرخش دارند که باعث ایجاد این جاذبه در ستارگان می شوند. هر چه جرم زیاد و حجم کم شود این جاذبه بیشتر می شود. البته به مقدار قوس مسیر و در سرعت حرکت نیز بستگی دارد. ستارگان از دید ما ثابت به نظر می رسند ولی در اصل دارای حرکتی بسیار سریع که با انفجار خود وکم شدن حجمشان تبدیل به سیاه چاله می شوند.











چگونگي پديدار شدن ميدان گرانش منفي

اگر پرتابه‌اي با سرعت زياد ، از يك ارتفاع نسبتا زياد از سطح سياره‌ زمين در امتداد مماس بر دايره‌اي به مركزيت سياره زمين پرتاب شود ، تحت تاثير گرانش ، مسيري منحني شكل را طي مي‌كند و سرانجام بر روي سطح زمين سقوط خواهد كرد . اگر سرعت پرتابه به اندازه كافي زياد باشد ، مي‌تواند يك دايره كامل را حول زمين طي كند و دور زمين بچرخد يعني شكل زير :


اينك اگر پرتابه را ثابت فرض كرده و سياره زمين را با همان سرعت زاويه‌اي پرتابه دوران دهيم چه اتفاقي روي ميدهد . مسلما به استناد نظريات نسبيت ، چون قوانين فيزيكي در تمامي دستگاه‌هاي لخت يكسان است ، پس فرقي نمي‌كند كه پرتابه به دور سياره زمين بچرخد يا سياره زمين با همان سرعت زاويه‌اي دوران داشته باشد و پرتابه ثابت بماند ، در هر دو حالت پرتابه به شرايط بي وزني ميرسد و هيچگاه به سطح سياره زمين سقوط نخواهد كرد .
اگر فاصله پرتابه با سطح سياره زمين كمتر شود ، به مرور زمان پرتابه به سطح سياره زمين سقوط خواهد كرد ، اين منطقه ، منطقه گرانش مثبت نامگذاري ميشود . و اگر فاصله پرتابه با سطح سياره زمين زيادتر شود ، به مرور زمان پرتابه از سطح سياره زمين دور ( دفع ) خواهد شد ، اين منطقه ، منطقه گرانش منفي نامگذاري ميشود . البته ناگفته نماند كه اگر سياره زمين را در حال دوران با سرعت زاويه‌اي پرتابه در نظر بگيريم اين دو منطقه ، شامل تمامي اجرام حاضر خواهد بود و اگر پرتابه را در حال چرخش به دور سياره زمين در نظر بگيريم ، اين دو منطقه فقط شامل پرتابه خواهد شد . حالت ديگري هم وجود دارد يعني سرعت زاويه‌اي پرتابه يا سياره زمين بيشتر از حد لزوم باشد كه در اين صورت پرتابه ابتدا به ساكن از طرف سياره زمين دفع و پرتاب ميشود