از زمان های قدیم، بشر به نحوه عملکرد دنیای اطراف ما فکر کرده است. چرا علف رشد می کند، چرا خورشید می درخشد، چرا ما نمی توانیم پرواز کنیم... اتفاقاً دومی همیشه مورد توجه مردم بوده است. اکنون می دانیم که دلیل همه چیز جاذبه است. چیست و چرا این پدیده تا این حد مهم است که امروز در نظر خواهیم گرفت.
مقدمه
دانشمندان دریافته‌اند که تمام اجسام عظیم جذب یکدیگر را تجربه می‌کنند. متعاقباً معلوم شد که این نیروی مرموز حرکت اجرام آسمانی را در مدارهای ثابت آنها نیز تعیین می کند. همان نظریه گرانش توسط نابغه‌ای تدوین شد که فرضیه‌هایش پیشرفت فیزیک را برای قرن‌های آینده از پیش تعیین کردند. توسعه و تداوم این آموزه (البته در جهتی کاملاً متفاوت) آلبرت انیشتین - یکی از بزرگترین ذهن‌های قرن گذشته - بود.
برای قرن ها، دانشمندان گرانش را مشاهده کرده اند و سعی در درک و اندازه گیری آن دارند. بالاخره در چند دهه اخیر حتی پدیده ای مانند جاذبه در خدمت بشر قرار گرفته است (البته به معنایی خاص). چیست، تعریف اصطلاح مورد بحث در علم مدرن چیست؟
تعریف علمی
اگر آثار متفکران باستان را مطالعه کنید، می توانید دریابید که کلمه لاتین "گراویتاس" به معنای "جاذبه"، "جاذبه" است. امروزه دانشمندان تعامل جهانی و ثابت بین اجسام مادی را چنین می نامند. اگر این نیرو نسبتا ضعیف باشد و فقط بر روی اجسامی که بسیار کندتر حرکت می کنند عمل کند، نظریه نیوتن برای آنها قابل اعمال است. اگر برعکس است، باید از نتایج اینشتین استفاده کرد.
بیایید فوراً رزرو کنیم: در حال حاضر، ماهیت خود گرانش اصولاً به طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است. این چه چیزی است، ما هنوز به طور کامل درک نمی کنیم.
نظریه های نیوتن و انیشتین
بر اساس آموزه کلاسیک اسحاق نیوتن، همه اجسام با نیرویی به یکدیگر جذب می شوند که با جرم آنها نسبت مستقیم دارد و با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. از سوی دیگر انیشتین استدلال می کرد که گرانش بین اجسام در صورت انحنای فضا و زمان خود را نشان می دهد (و انحنای فضا تنها در صورتی امکان پذیر است که ماده در آن وجود داشته باشد).
این ایده بسیار عمیق بود، اما تحقیقات مدرن تا حدودی نادرست بودن آن را ثابت می کند. امروزه اعتقاد بر این است که گرانش در فضا فقط فضا را خم می کند: زمان می تواند کند شود و حتی متوقف شود، اما واقعیت تغییر شکل ماده موقت از نظر تئوری تأیید نشده است. بنابراین، معادله کلاسیک اینشتین حتی فرصتی برای ادامه تأثیر فضا بر ماده و میدان مغناطیسی در حال ظهور فراهم نمی کند.
تا حد زیادی قانون گرانش (گرانش جهانی) شناخته شده است که بیان ریاضی آن دقیقاً متعلق به نیوتن است:
\[F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]
تحت γ ثابت گرانشی درک می شود (گاهی اوقات از نماد G استفاده می شود)، که مقدار آن 6.67545 × 10-11 m³ / (kg s²) است.
برهمکنش بین ذرات بنیادی
پیچیدگی باورنکردنی فضای اطراف ما تا حد زیادی به دلیل تعداد نامتناهی ذرات بنیادی است. همچنین تعاملات مختلفی بین آنها در سطوحی وجود دارد که ما فقط می توانیم حدس بزنیم. با این حال، همه انواع برهمکنش ذرات بنیادی در بین خود به طور قابل توجهی از نظر قدرت متفاوت هستند. 
قوی ترین نیروهایی که برای ما شناخته شده است، اجزای هسته اتم را به هم متصل می کند. برای جدا کردن آنها، باید انرژی واقعاً عظیمی را صرف کنید. در مورد الکترون‌ها، آنها فقط با برهمکنش الکترومغناطیسی معمولی به هسته متصل می‌شوند. برای متوقف کردن آن، گاهی اوقات انرژی که در نتیجه معمولی ترین واکنش شیمیایی ظاهر می شود، کافی است. گرانش (آنچه هست، قبلاً می دانید) در نوع اتم ها و ذرات زیراتمی ساده ترین نوع برهمکنش است.
میدان گرانشی در این مورد آنقدر ضعیف است که تصور آن دشوار است. به اندازه کافی عجیب، اما این آنها هستند که حرکت اجرام آسمانی را که گاهی تصور جرم آنها غیرممکن است، "پیگیری" می کنند. همه اینها به دلیل دو ویژگی گرانش امکان پذیر است که به ویژه در مورد اجسام فیزیکی بزرگ مشخص می شود:
- بر خلاف نیروهای اتمی، جاذبه گرانشی هر چه از جسم دورتر باشد بیشتر قابل توجه است. بنابراین گرانش زمین حتی ماه را در میدان خود نگه می دارد و نیروی مشابه مشتری به راحتی از مدار چندین ماهواره به طور همزمان پشتیبانی می کند که جرم هر یک از آنها کاملاً با زمین قابل مقایسه است!
- علاوه بر این، همیشه بین اجسام جاذبه ایجاد می کند و با فاصله گرفتن این نیرو با سرعت کم ضعیف می شود.
شکل گیری یک نظریه کم و بیش منسجم گرانش نسبتاً اخیراً و دقیقاً بر اساس نتایج مشاهدات چند صد ساله حرکت سیارات و سایر اجرام آسمانی رخ داده است. این کار با این واقعیت تسهیل شد که همه آنها در خلاء حرکت می کنند، جایی که به سادگی هیچ تعامل احتمالی دیگری وجود ندارد. گالیله و کپلر، دو ستاره شناس برجسته آن زمان، با ارزشمندترین مشاهدات خود راه را برای اکتشافات جدید هموار کردند.
اما فقط اسحاق نیوتن بزرگ توانست اولین نظریه گرانش را ایجاد کند و آن را در یک نمایش ریاضی بیان کند. این اولین قانون گرانش بود که نمایش ریاضی آن در بالا ارائه شده است.
نتیجه گیری های نیوتن و برخی از پیشینیان او
بر خلاف سایر پدیده های فیزیکی که در دنیای اطراف ما وجود دارند، جاذبه همیشه و همه جا خود را نشان می دهد. باید درک کنید که اصطلاح "گرانش صفر" که اغلب در محافل شبه علمی یافت می شود، بسیار نادرست است: حتی بی وزنی در فضا به این معنی نیست که یک شخص یا یک فضاپیما تحت تأثیر جاذبه یک جسم عظیم قرار نگیرد.
علاوه بر این، تمام اجسام مادی دارای جرم مشخصی هستند که به صورت نیرویی که به آنها وارد می شود بیان می شود و شتابی که در اثر این ضربه به دست می آید.
بنابراین، نیروهای گرانشی با جرم اجسام متناسب هستند. از نظر عددی، آنها را می توان با به دست آوردن حاصل ضرب جرم هر دو جسم در نظر گرفته بیان کرد. این نیرو به شدت از وابستگی معکوس به مربع فاصله بین اجسام تبعیت می کند. تمام فعل و انفعالات دیگر کاملاً متفاوت به فواصل بین دو جسم بستگی دارد.
توده به عنوان سنگ بنای نظریه
انبوه اجسام به نقطه اختلاف خاصی تبدیل شده است که کل نظریه مدرن گرانش و نسبیت انیشتین حول آن بنا شده است. اگر دومی را به خاطر دارید، احتمالاً می دانید که جرم یک ویژگی اجباری برای هر جسم مادی فیزیکی است. این نشان می دهد که اگر یک جسم به آن نیرو وارد شود، بدون توجه به منشا آن، چگونه رفتار می کند.
از آنجایی که تمام اجسام (به گفته نیوتن) با وارد شدن نیروی خارجی به آنها شتاب می گیرند، این جرم است که تعیین می کند این شتاب چقدر بزرگ خواهد بود. بیایید به یک مثال واضح تر نگاه کنیم. یک اسکوتر و یک اتوبوس را تصور کنید: اگر دقیقاً نیروی یکسانی به آنها اعمال کنید، در زمان های مختلف به سرعت های متفاوتی می رسند. همه اینها با نظریه گرانش توضیح داده می شود.
رابطه جرم و جاذبه چیست؟
اگر در مورد گرانش صحبت کنیم، جرم در این پدیده نقشی کاملاً متضاد با آنچه در رابطه با نیرو و شتاب یک جسم ایفا می کند، ایفا می کند. این اوست که خود منبع اصلی جذب است. اگر دو جسم را بگیرید و ببینید با چه نیرویی جسم سومی را که در فواصل مساوی از دو جسم اول قرار دارد جذب می کنند، آنگاه نسبت تمام نیروها برابر با نسبت جرم دو جسم اول خواهد بود. بنابراین نیروی جاذبه با جرم بدن نسبت مستقیم دارد. 
اگر قانون سوم نیوتن را در نظر بگیریم، می بینیم که او دقیقاً همین را می گوید. نیروی گرانش که بر دو جسمی که در فاصله مساوی از منبع جاذبه قرار دارند، عمل می کند، مستقیماً به جرم این اجسام بستگی دارد. در زندگی روزمره، ما در مورد نیرویی که یک جسم به عنوان وزن آن به سطح سیاره جذب می شود صحبت می کنیم.
بیایید چند نتیجه را جمع بندی کنیم. بنابراین جرم رابطه نزدیکی با نیرو و شتاب دارد. در عین حال، این اوست که نیرویی را تعیین می کند که گرانش روی بدن تأثیر می گذارد.
ویژگی های شتاب اجسام در میدان گرانشی
این دوگانگی شگفت انگیز دلیل آن است که در یک میدان گرانشی، شتاب اجرام کاملاً متفاوت برابر خواهد بود. فرض کنید دو بدن داریم. بیایید یک جرم z به یکی از آنها و Z به دیگری اختصاص دهیم.
نسبت نیروهای جاذبه چگونه تعیین می شود؟ با ساده ترین فرمول ریاضی - z / Z نشان داده شده است. این فقط شتابی است که آنها در نتیجه نیروی گرانش دریافت می کنند، دقیقاً یکسان خواهد بود. به بیان ساده، شتابی که یک جسم در میدان گرانشی دارد به هیچ وجه به خواص آن بستگی ندارد.
شتاب در مورد توصیف شده به چه چیزی بستگی دارد؟
این فقط (!) به جرم اشیایی که این میدان را ایجاد می کنند و همچنین به موقعیت مکانی آنها بستگی دارد. نقش دوگانه جرم و شتاب برابر اجسام مختلف در یک میدان گرانشی برای مدت نسبتا طولانی کشف شده است. این پدیده ها نام زیر را دریافت کرده اند: «اصل هم ارزی». این اصطلاح بار دیگر تأکید می کند که شتاب و اینرسی اغلب معادل هستند (البته تا حدی).
در مورد اهمیت G
از درس فیزیک مدرسه، ما به یاد داریم که شتاب سقوط آزاد در سطح سیاره ما (گرانش زمین) 10 متر بر ثانیه است (البته 9.8، اما این مقدار برای سهولت محاسبه استفاده می شود). بنابراین، اگر مقاومت هوا در نظر گرفته نشود (در ارتفاع قابل توجهی با فاصله سقوط کوچک)، هنگامی که بدن شتاب 10 متر بر ثانیه افزایش می یابد، اثر حاصل می شود. در هر ثانیه. به این ترتیب کتابی که از طبقه دوم یک خانه افتاده باشد تا پایان پرواز خود با سرعت 30-40 متر بر ثانیه حرکت می کند. به بیان ساده، 10 متر بر ثانیه "سرعت" گرانش در زمین است. 
شتاب ناشی از گرانش در ادبیات فیزیکی با حرف "g" نشان داده می شود. از آنجایی که شکل زمین تا حدی بیشتر شبیه نارنگی است تا کره، ارزش این مقدار در تمام مناطق آن یکسان نیست. بنابراین، در قطب ها، شتاب بیشتر است و در قله های کوه های مرتفع کمتر می شود.
حتی در صنعت معدن، گرانش نقش مهمی دارد. پدیده ها گاهی اوقات می توانند زمان زیادی را ذخیره کنند. بنابراین، زمین شناسان به ویژه به تعیین دقیق ایده آل g علاقه مند هستند، زیرا این امکان اکتشاف و یافتن ذخایر معدنی را با دقت استثنایی فراهم می کند. به هر حال، فرمول گرانش چگونه است که مقداری که در نظر گرفته ایم نقش مهمی در آن دارد؟ او آنجاست:
توجه داشته باشید! در این مورد، فرمول گرانشی G به معنای "ثابت گرانشی" است، که مقدار آن را قبلا در بالا آورده ایم.
زمانی نیوتن اصول فوق را تدوین کرد. او وحدت و همگانی را کاملاً درک می کرد، اما نمی توانست همه جنبه های این پدیده را توصیف کند. این افتخار نصیب آلبرت اینشتین شد که توانست اصل هم ارزی را نیز توضیح دهد. درک مدرن از ماهیت پیوستار فضا-زمان مدیون اوست.
نظریه نسبیت، آثار آلبرت انیشتین
در زمان اسحاق نیوتن ، اعتقاد بر این بود که نقاط مرجع را می توان به عنوان نوعی "میله" سفت و سخت نشان داد که با کمک آنها موقعیت بدن در سیستم مختصات فضایی ایجاد می شود. در همان زمان، فرض بر این بود که همه ناظرانی که این مختصات را علامت گذاری می کنند در یک فضای زمانی واحد باشند. در آن سال ها این حکم به قدری بدیهی تلقی می شد که هیچ تلاشی برای چالش یا تکمیل آن صورت نگرفت. و این قابل درک است، زیرا در سیاره ما هیچ انحرافی در این قانون وجود ندارد.
انیشتین ثابت کرد که اگر ساعت فرضی بسیار کندتر از سرعت نور حرکت کند، دقت اندازه گیری واقعاً قابل توجه خواهد بود. به بیان ساده، اگر یک ناظر، که کندتر از سرعت نور حرکت می‌کند، دو رویداد را دنبال کند، آنها همزمان برای او اتفاق می‌افتند. بر این اساس برای ناظر دوم؟ که سرعت آن یکسان یا بیشتر است، رویدادها می توانند در زمان های مختلف رخ دهند.
اما نیروی گرانش چه ارتباطی با نظریه نسبیت دارد؟ بیایید این موضوع را با جزئیات بررسی کنیم.
رابطه بین نسبیت و نیروهای گرانشی
در سال های اخیر، تعداد زیادی اکتشاف در زمینه ذرات زیراتمی انجام شده است. این باور قوی تر می شود که ما در شرف یافتن ذره نهایی هستیم که فراتر از آن نمی توان جهان ما را تقسیم کرد. اصرار بیشتر این است که بدانیم دقیقاً چگونه کوچکترین "آجرهای" جهان ما تحت تأثیر آن نیروهای اساسی است که در قرن گذشته یا حتی قبل از آن کشف شده اند. به خصوص ناامید کننده است که ماهیت گرانش هنوز توضیح داده نشده است.
به همین دلیل است که پس از انیشتین، که «ناتوانی» مکانیک کلاسیک نیوتن را در منطقه مورد بررسی ایجاد کرد، محققان بر روی بازنگری کامل داده‌های به‌دست‌آمده قبلی تمرکز کردند. از بسیاری جهات، گرانش خود دستخوش بازنگری شده است. در سطح ذرات زیراتمی چیست؟ آیا در این دنیای شگفت انگیز چند بعدی معنایی دارد؟
یک راه حل ساده؟
در ابتدا، بسیاری تصور کردند که اختلاف بین گرانش نیوتن و نظریه نسبیت را می توان به سادگی با ترسیم قیاس هایی از حوزه الکترودینامیک توضیح داد. می توان فرض کرد که میدان گرانشی مانند یک میدان مغناطیسی منتشر می شود، پس از آن می توان آن را به عنوان "واسطه" در فعل و انفعالات اجرام سماوی اعلام کرد و بسیاری از ناسازگاری های بین نظریه قدیم و جدید را توضیح داد. واقعیت این است که در این صورت سرعت های نسبی انتشار نیروهای مورد نظر بسیار کمتر از سرعت نور خواهد بود. پس جاذبه و زمان چگونه به هم مرتبط هستند؟
اصولاً خود انیشتین تقریباً موفق شد یک نظریه نسبیتی را بر اساس چنین دیدگاه هایی بسازد، فقط یک شرایط مانع از قصد او شد. هیچ یک از دانشمندان آن زمان اصلاً اطلاعاتی نداشتند که بتواند به تعیین "سرعت" گرانش کمک کند. اما اطلاعات زیادی در رابطه با تحرکات توده های بزرگ وجود داشت. همانطور که مشخص است، آنها فقط منبع شناخته شده میدان های گرانشی قدرتمند بودند.
سرعت های بالا به شدت بر توده های اجسام تأثیر می گذارد و این اصلاً شبیه برهم کنش سرعت و بار نیست. هر چه سرعت بیشتر باشد جرم بدن بیشتر می شود. مشکل این است که در صورت حرکت با سرعت نور یا بالاتر، آخرین مقدار به طور خودکار بی نهایت می شود. بنابراین، انیشتین به این نتیجه رسید که یک میدان گرانشی وجود ندارد، بلکه یک میدان تانسوری وجود دارد که برای توصیف آن باید از متغیرهای بسیار بیشتری استفاده کرد.
پیروان او به این نتیجه رسیدند که جاذبه و زمان عملاً هیچ ارتباطی با هم ندارند. واقعیت این است که خود این میدان تانسوری می تواند روی فضا اثر بگذارد، اما قادر به تأثیرگذاری بر زمان نیست. با این حال، استیون هاوکینگ، فیزیکدان برجسته مدرن، دیدگاه متفاوتی دارد. اما این یک داستان کاملا متفاوت است ...
