منذ العصور القديمة ، فكرت البشرية في كيفية عمل العالم من حولنا. لماذا ينمو العشب ، ولماذا تشرق الشمس ، ولماذا لا يمكننا الطيران ... بالمناسبة ، لطالما كان هذا الأخير ذا أهمية خاصة للناس. نحن نعلم الآن أن سبب كل شيء هو الجاذبية. ما هي ، ولماذا هذه الظاهرة مهمة للغاية في يومنا هذا سننظر فيه.
مقدمة
لقد وجد العلماء أن جميع الأجسام الضخمة تشهد جاذبية متبادلة مع بعضها البعض. بعد ذلك ، اتضح أن هذه القوة الغامضة تحدد أيضًا حركة الأجرام السماوية في مداراتها الثابتة. تم صياغة نفس نظرية الجاذبية من قبل عبقري حددت فرضياته مسبقًا تطور الفيزياء لعدة قرون قادمة. طور واستمر (وإن كان في اتجاه مختلف تمامًا) هذا التدريس كان ألبرت أينشتاين - أحد أعظم العقول في القرن الماضي.
لقرون ، لاحظ العلماء الجاذبية في محاولة لفهمها وقياسها. أخيرًا ، في العقود القليلة الماضية ، حتى ظاهرة مثل الجاذبية وُضعت في خدمة البشرية (بمعنى ما بالطبع). ما هو تعريف المصطلح المعني في العلم الحديث؟
التعريف العلمي
إذا درست أعمال المفكرين القدماء ، يمكنك أن تكتشف أن الكلمة اللاتينية "gravitas" تعني "الجاذبية" ، "الجذب". اليوم ، يسمي العلماء التفاعل الشامل والمستمر بين الأجسام المادية. إذا كانت هذه القوة ضعيفة نسبيًا وتعمل فقط على الأشياء التي تتحرك ببطء أكبر ، فإن نظرية نيوتن تنطبق عليها. إذا كان العكس هو الصحيح ، فيجب استخدام استنتاجات أينشتاين.
دعنا نحجز على الفور: في الوقت الحالي ، لم تتم دراسة طبيعة الجاذبية نفسها بشكل كامل من حيث المبدأ. ما هو ، ما زلنا لا نفهم تماما.
نظريات نيوتن وآينشتاين
وفقًا للتعاليم الكلاسيكية لإسحاق نيوتن ، تنجذب جميع الأجسام لبعضها البعض بقوة تتناسب طرديًا مع كتلتها ، وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة التي تفصل بينها. من ناحية أخرى ، جادل أينشتاين بأن الجاذبية بين الأشياء تظهر نفسها في حالة انحناء المكان والزمان (وانحناء الفضاء ممكن فقط إذا كان هناك مادة فيه).
كانت هذه الفكرة عميقة للغاية ، لكن الأبحاث الحديثة تثبت أنها غير دقيقة إلى حد ما. يُعتقد اليوم أن الجاذبية في الفضاء تنحني فقط في الفضاء: يمكن إبطاء الزمن وحتى إيقافه ، لكن حقيقة تغيير شكل المادة المؤقتة لم يتم تأكيدها نظريًا. لذلك ، فإن معادلة أينشتاين الكلاسيكية لا توفر حتى فرصة لاستمرار الفضاء في التأثير على المادة والمجال المغناطيسي الناشئ.
إلى حد كبير ، قانون الجاذبية (الجاذبية العامة) معروف ، والتعبير الرياضي الذي ينتمي إليه بالضبط هو نيوتن:
\ [F = γ \ frac [-1.2] (m_1 m_2) (r ^ 2) \]
يُفهم تحت γ ثابت الجاذبية (أحيانًا يتم استخدام الرمز G) ، والذي تبلغ قيمته 6.67545 × 10−11 متر مكعب / (كجم / ثانية).
التفاعل بين الجسيمات الأولية
يرجع التعقيد المذهل للفضاء المحيط بنا إلى حد كبير إلى العدد اللامتناهي من الجسيمات الأولية. هناك أيضًا تفاعلات مختلفة بينهما على مستويات لا يمكننا إلا تخمينها. ومع ذلك ، تختلف جميع أنواع تفاعل الجسيمات الأولية فيما بينها اختلافًا كبيرًا في قوتها. 
تربط أقوى القوى المعروفة لدينا مكونات النواة الذرية. لفصلهم ، تحتاج إلى إنفاق قدر هائل من الطاقة حقًا. أما بالنسبة للإلكترونات ، فهي "متصلة" بالنواة فقط عن طريق التفاعل الكهرومغناطيسي العادي. لإيقافه ، تكون الطاقة التي تظهر نتيجة تفاعل كيميائي عادي كافية في بعض الأحيان. الجاذبية (ما هي عليه بالفعل) في متغير الذرات والجسيمات دون الذرية هي أسهل أنواع التفاعل.
مجال الجاذبية في هذه الحالة ضعيف جدًا بحيث يصعب تخيله. من الغريب أن هؤلاء هم الذين "يتبعون" حركة الأجرام السماوية ، التي يستحيل أحيانًا تخيل كتلتها. كل هذا ممكن بسبب سمتين من سمات الجاذبية ، والتي تظهر بشكل خاص في حالة الأجسام المادية الكبيرة:
- على عكس القوى الذرية ، يكون الجاذبية أكثر وضوحًا كلما ابتعدنا عن الجسم. لذا ، فإن جاذبية الأرض تحافظ حتى على القمر في مجاله ، وتدعم القوة المماثلة للمشتري بسهولة مدارات العديد من الأقمار الصناعية في وقت واحد ، وكتلة كل منها مماثلة تمامًا لكتلة الأرض!
- بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يوفر دائمًا تجاذبًا بين الأشياء ، ومع المسافة تضعف هذه القوة بسرعة منخفضة.
حدث تشكيل نظرية متماسكة إلى حد ما عن الجاذبية مؤخرًا نسبيًا ، وعلى وجه التحديد على أساس نتائج الملاحظات التي استمرت لقرون حول حركة الكواكب والأجرام السماوية الأخرى. تم تسهيل المهمة إلى حد كبير من خلال حقيقة أنهم جميعًا يتحركون في فراغ ، حيث لا توجد تفاعلات أخرى محتملة. ساعد جاليليو وكبلر ، اثنان من علماء الفلك البارزين في ذلك الوقت ، في تمهيد الطريق لاكتشافات جديدة من خلال ملاحظاتهم الأكثر قيمة.
لكن إسحاق نيوتن العظيم فقط كان قادرًا على إنشاء النظرية الأولى للجاذبية والتعبير عنها في تمثيل رياضي. كان هذا هو أول قانون للجاذبية ، تم عرض التمثيل الرياضي له أعلاه.
استنتاجات نيوتن وبعض من سبقوه
على عكس الظواهر الفيزيائية الأخرى الموجودة في العالم من حولنا ، تظهر الجاذبية نفسها دائمًا وفي كل مكان. عليك أن تفهم أن مصطلح "انعدام الجاذبية" ، والذي يوجد غالبًا في الدوائر العلمية الزائفة ، غير صحيح تمامًا: حتى انعدام الوزن في الفضاء لا يعني أن شخصًا أو مركبة فضائية لا يتأثران بجاذبية بعض الأجسام الضخمة.
بالإضافة إلى ذلك ، تمتلك جميع الأجسام المادية كتلة معينة ، معبرًا عنها في شكل قوة تم تطبيقها عليها ، ويتم الحصول على تسارع بسبب هذا التأثير.
وبالتالي ، فإن قوى الجاذبية تتناسب مع كتلة الأشياء. عدديًا ، يمكن التعبير عنها من خلال الحصول على ناتج جماهير كلا الجثتين. تخضع هذه القوة بشكل صارم للاعتماد العكسي على مربع المسافة بين الأشياء. تعتمد جميع التفاعلات الأخرى بشكل مختلف تمامًا على المسافات بين جسمين.
الكتلة هي حجر الزاوية في النظرية
أصبحت كتلة الأشياء نقطة خلاف خاصة بُنيت حولها نظرية أينشتاين الحديثة للجاذبية والنسبية. إذا كنت تتذكر الثانية ، فمن المحتمل أنك تعرف أن الكتلة هي خاصية إلزامية لأي جسم مادي. إنه يوضح كيف سيتصرف الكائن إذا تم تطبيق القوة عليه ، بغض النظر عن أصله.
نظرًا لأن جميع الأجسام (وفقًا لنيوتن) تتسارع عندما تؤثر عليها قوة خارجية ، فإن الكتلة هي التي تحدد حجم هذا التسارع. لنلق نظرة على مثال أوضح. تخيل دراجة بخارية وحافلة: إذا قمت بتطبيق نفس القوة بالضبط عليهم ، فسيصلون إلى سرعات مختلفة في أوقات مختلفة. كل هذا يفسره نظرية الجاذبية.
ما هي العلاقة بين الكتلة والجاذبية؟
إذا تحدثنا عن الجاذبية ، فإن الكتلة في هذه الظاهرة تلعب دورًا معاكسًا تمامًا للدور الذي تلعبه فيما يتعلق بقوة الجسم وتسارعه. إنها هي المصدر الأساسي للجاذبية نفسها. إذا أخذت جسدين ورأيت بالقوة التي يجذبان بها جسمًا ثالثًا يقع على مسافات متساوية من الجسمين الأولين ، فإن نسبة جميع القوى ستكون مساوية لنسبة كتل الجسمين الأولين. وبالتالي ، فإن قوة الجاذبية تتناسب طرديًا مع كتلة الجسم. 
إذا أخذنا في الاعتبار قانون نيوتن الثالث ، يمكننا أن نرى أنه يقول نفس الشيء بالضبط. تعتمد قوة الجاذبية ، التي تعمل على جسمين يقعان على مسافة متساوية من مصدر الجذب ، بشكل مباشر على كتلة هذين الجسمين. في الحياة اليومية ، نتحدث عن القوة التي ينجذب بها الجسم إلى سطح الكوكب مثل وزنه.
دعونا نلخص بعض النتائج. لذلك ، ترتبط الكتلة ارتباطًا وثيقًا بالقوة والتسارع. في الوقت نفسه ، هي التي تحدد القوة التي ستؤثر بها الجاذبية على الجسم.
ملامح تسارع الأجسام في مجال الجاذبية
هذه الازدواجية المذهلة هي السبب في أن تسارع الأجسام المختلفة تمامًا في نفس مجال الجاذبية سيكون متساويًا. افترض أن لدينا جسدين. دعونا نحدد الكتلة z لأحدهما ، و Z للآخر ، حيث يتم إسقاط كلا الجسمين على الأرض ، حيث يسقطان بحرية.
كيف يتم تحديد نسبة قوى الجذب؟ يظهر من خلال أبسط صيغة رياضية - z / Z. هذا مجرد التسارع الذي يتلقونه نتيجة لقوة الجاذبية ، سيكون هو نفسه تمامًا. ببساطة ، التسارع الذي يمتلكه الجسم في مجال الجاذبية لا يعتمد بأي شكل من الأشكال على خصائصه.
على ماذا يعتمد التسارع في الحالة الموصوفة؟
يعتمد فقط (!) على كتلة الأشياء التي تنشئ هذا الحقل ، وكذلك على موقعها المكاني. تم اكتشاف الدور المزدوج للكتلة والتسارع المتساوي للأجسام المختلفة في مجال الجاذبية لفترة طويلة نسبيًا. حصلت هذه الظواهر على الاسم التالي: "مبدأ التكافؤ". يؤكد هذا المصطلح مرة أخرى أن التسارع والقصور الذاتي غالبًا ما يكونان متكافئين (إلى حد معين ، بالطبع).
حول أهمية G
من مقرر الفيزياء المدرسية ، نتذكر أن تسارع السقوط الحر على سطح كوكبنا (جاذبية الأرض) هو 10 م / ث² (9.8 بالطبع ، ولكن هذه القيمة تُستخدم لسهولة الحساب). وبالتالي ، إذا لم تؤخذ مقاومة الهواء في الاعتبار (على ارتفاع كبير مع مسافة سقوط صغيرة) ، فسيتم الحصول على التأثير عندما يكتسب الجسم زيادة تسارع قدرها 10 م / ث. كل ثانية. وهكذا ، فإن الكتاب الذي سقط من الطابق الثاني من المنزل سوف يتحرك بسرعة 30-40 م / ثانية بنهاية رحلته. ببساطة ، 10 م / ث هي "سرعة" الجاذبية داخل الأرض. 
يشار إلى التسارع الناتج عن الجاذبية في الأدب المادي بالحرف "g". نظرًا لأن شكل الأرض يشبه اليوسفي إلى حد ما أكثر من كونه كرة ، فإن قيمة هذه الكمية بعيدة كل البعد عن أن تكون متماثلة في جميع مناطقها. لذلك ، عند القطبين ، يكون التسارع أعلى ، وفي قمم الجبال العالية يصبح أقل.
حتى في صناعة التعدين ، تلعب الجاذبية دورًا مهمًا. يمكن للظواهر في بعض الأحيان توفير الكثير من الوقت. وبالتالي ، يهتم الجيولوجيون بشكل خاص بالتحديد الدقيق المثالي لـ g ، لأن هذا يسمح باستكشاف الرواسب المعدنية وإيجادها بدقة استثنائية. بالمناسبة ، كيف تبدو صيغة الجاذبية ، حيث تلعب القيمة التي اعتبرناها دورًا مهمًا؟ ها هي ذا:
ملحوظة! في هذه الحالة ، فإن صيغة الجاذبية تعني بـ G "ثابت الجاذبية" ، الذي قدمنا قيمته أعلاه.
في وقت من الأوقات ، صاغ نيوتن المبادئ المذكورة أعلاه. لقد فهم تمامًا الوحدة والعالمية ، لكنه لم يستطع وصف جميع جوانب هذه الظاهرة. يعود هذا الشرف إلى ألبرت أينشتاين ، الذي كان قادرًا أيضًا على شرح مبدأ التكافؤ. له أن البشر مدينون بفهم حديث لطبيعة استمرارية الزمان والمكان.
نظرية النسبية ، أعمال ألبرت أينشتاين
في زمن إسحاق نيوتن ، كان يُعتقد أن النقاط المرجعية يمكن تمثيلها على أنها نوع من "القضبان" الصلبة ، والتي يتم من خلالها تحديد موضع الجسم في نظام الإحداثيات المكاني. في الوقت نفسه ، كان من المفترض أن يكون جميع المراقبين الذين يضعون علامة على هذه الإحداثيات في مساحة زمنية واحدة. في تلك السنوات ، اعتُبر هذا الحكم بديهيًا لدرجة أنه لم تُبذل أية محاولات للطعن فيه أو استكماله. وهذا أمر مفهوم ، لأنه لا توجد انحرافات في هذه القاعدة داخل كوكبنا.
أثبت أينشتاين أن دقة القياس ستكون مهمة حقًا إذا كانت الساعة الافتراضية تتحرك أبطأ بكثير من سرعة الضوء. ببساطة ، إذا كان أحد المراقبين ، يتحرك أبطأ من سرعة الضوء ، يتبع حدثين ، فسيحدثان له في نفس الوقت. تبعا لذلك ، بالنسبة للمراقب الثاني؟ التي تكون سرعتها هي نفسها أو أكثر ، يمكن أن تحدث الأحداث في أوقات مختلفة.
لكن كيف ترتبط قوة الجاذبية بنظرية النسبية؟ دعنا نستكشف هذه المشكلة بالتفصيل.
العلاقة بين النسبية وقوى الجاذبية
في السنوات الأخيرة ، تم إجراء عدد كبير من الاكتشافات في مجال الجسيمات دون الذرية. يزداد الاقتناع بقوة بأننا على وشك العثور على الجسيم النهائي ، الذي لا يمكن أن ينقسم عالمنا بعده. والأكثر إلحاحًا هو الحاجة إلى معرفة بالضبط كيف تتأثر أصغر "لبنات" الكون بهذه القوى الأساسية التي تم اكتشافها في القرن الماضي ، أو حتى قبل ذلك. إنه لأمر مخيب للآمال بشكل خاص أن طبيعة الجاذبية لم يتم شرحها بعد.
لهذا السبب ، بعد أينشتاين ، الذي أسس "عجز" ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية في المنطقة قيد الدراسة ، ركز الباحثون على إعادة التفكير الكامل في البيانات التي حصلوا عليها سابقًا. من نواح كثيرة ، خضعت الجاذبية نفسها للمراجعة. ما هو على مستوى الجسيمات دون الذرية؟ هل لها أي معنى في هذا العالم متعدد الأبعاد المذهل؟
حل بسيط؟
في البداية ، افترض الكثيرون أن التناقض بين جاذبية نيوتن ونظرية النسبية يمكن تفسيره ببساطة عن طريق رسم مقارنات من مجال الديناميكا الكهربائية. يمكن الافتراض أن مجال الجاذبية ينتشر مثل المجال المغناطيسي ، وبعد ذلك يمكن اعتباره "وسيطًا" في تفاعلات الأجرام السماوية ، مما يفسر العديد من التناقضات بين النظرية القديمة والجديدة. والحقيقة هي أن السرعات النسبية لانتشار القوى قيد الدراسة ستكون أقل بكثير من سرعة الضوء. إذن كيف ترتبط الجاذبية بالوقت؟
من حيث المبدأ ، كاد أينشتاين نفسه أن ينجح في بناء نظرية نسبية مبنية على مثل هذه الآراء فقط ، إلا أن هناك ظرفًا واحدًا حالت دون نيته. لم يكن لدى أي من العلماء في ذلك الوقت أي معلومات على الإطلاق يمكن أن تساعد في تحديد "سرعة" الجاذبية. لكن كان هناك الكثير من المعلومات المتعلقة بحركات الجماهير الكبيرة. كما هو معروف ، كانوا فقط المصدر المعترف به عمومًا لحقول الجاذبية القوية.
السرعات العالية تؤثر بشدة على كتل الأجسام ، وهذا لا يشبه على الإطلاق تفاعل السرعة والشحنة. وكلما زادت السرعة زادت كتلة الجسم. المشكلة هي أن القيمة الأخيرة ستصبح تلقائيًا لانهائية في حالة الحركة بسرعة الضوء أو أعلى. لذلك ، خلص أينشتاين إلى أنه لا يوجد مجال جاذبية ، ولكن مجال موتر ، لوصف العديد من المتغيرات التي يجب استخدامها.
توصل أتباعه إلى استنتاج مفاده أن الجاذبية والوقت غير مرتبطين عمليا. الحقيقة هي أن هذا الحقل الموتر نفسه يمكن أن يعمل على الفضاء ، لكنه غير قادر على التأثير على الوقت. ومع ذلك ، فإن عالم الفيزياء الحديث اللامع ستيفن هوكينغ لديه وجهة نظر مختلفة. لكن هذه قصة مختلفة تمامًا ...
