حتما تاکنون داستان مشهور نیوتن را شنیده‌اید که با افتادن یک سیب به زمین توانست نیروی گرانش یا جاذبه را کشف کند؛ رویدادی که می‌توان گفت موجب تغییر مسیر علم شد. در این مقاله قصد داریم به واکاوی این مفهوم پرداخته، تعریف نیروی گرانش را به زبان ساده ارائه داده و به سوالات مختلفی که پیرامون آن وجود دارد پاسخ دهیم؛ با ما همراه باشید.
گرانش چیست؟
نظریه جاذبه نیوتن و نیروی گرانشی چه می‌گوید؟ گرانش (به انگلیسی Gravitation یا Gravity) در علم فیزیک به نیرویی گفته میشود که اجسام توسط آن اجسام دیگر را به سمت مرکز جرم خود می‌کشند. هر جسمی که جرم یا انرژی داشته باشد، نیروی جاذبه هم دارد؛ از یک جسم بسیار کوچک مانند کتاب گرفته تا یک جسم بسیار بزرگ مثل سیاره زمین.
اجسام با جرم بیشتر دارای گرانش بیشتری هستند؛ از سویی هر چه فاصله اجسام زیادتر شود جاذبه میان آن‌ها نیز ضعیف‌تر میشود، بنابراین هر چه اجسام به یکدیگر نزدیکتر باشند، کشش گرانشی آن‌ها قوی‌تر است.
جاذبه یکی از ۴ نیروی پایه در فیزیک محسوب میشود و البته با اختلاف زیادی از ۳ نیروی دیگر ضعیف‌تر است؛ ۱۰۳۸ برابر ضعیف‌تر از برهمکنش قوی، ۱۰۳۶ برابر ضعیف‌تر از نیروی الکترومغناطیسی و ۱۰۲۹ برابر ضعیف‌تر از برهمکنش ضعیف. از این رو تاثیر قابل توجهی در سطح ذرات زیراتمی ندارد؛ با این وجود، مهم‌ترین برهمکنش میان اجسام در مقیاس‌های بزرگ است و حرکت سیاره‌ها، ستارگان، کهکشان ها و حتی نور را تعیین می‌کند.
نکته مهم دیگری که باید مورد توجه قرار بگیرد، تفاوت نیروی گرانش و وزن است. وزن نتیجه نیروی گرانش بوده و کمیتی است که آن را برای یک جسم خاص اندازه می‌گیرند، اما گرانش معیاری برای سنجش خمیدگی ساختار فضا زمانِ آن جسم است. برای درک بهتر این تفاوت، به پرتوی نوری فکر کنید که در طول فضا حرکت می‌کند.
در همین رابطه بخوانید: آیا میزان جاذبه بر گذر زمان اثر دارد؟
منشا نیروی گرانش
نیروی گرانش اجسام از جرم آن‌ها نشات می‌گیرد. برای مثال، تمام جرم زمین یک کشش گرانشی روی اجسام ایجاد نموده که آن‌ها را به سمت زمین جذب می‌کند. به عقیده نیوتن که وی را به عنوان کاشف نیروی گرانش می‌شناسند، نیروی گرانشی در نتیجه کشش میان دو جسمی که جرم دارند به وجود می‌آید.
فرمول گرانش
فرمولی که مطابق قانون جهانی جاذبه نیوتن ارائه شده، به شرح زیر است:
در این معادله G ثابت جهانی گرانش بوده که مقدار آن در دستگاه SI برابر است با:
همچنین F نمایانگر نیروی جاذبه بین دو جسم، m۱ و m۲ جرم دو جسم و r فاصله آن‌ها از یکدیگر است.
نیروی گرانش زمین و ماه
شتاب جاذبه زمین و ماه چقدر است؟ میانگین جاذبه سطح زمین حدود ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه است. به عنوان مثال، هنگامی که جسمی از بالای ساختمان پرتاب میشود، با سرعت ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه به سمت زمین شتاب می‌گیرد. جاذبه ماه نیز یک ششم جاذبه زمین بوده و تقریبا ۱.۶ متر بر مجذور ثانیه تخمین زده میشود. به عبارت دیگر، در تعریف نیروی گرانش زمین می‌توان گفت نیروی کششی که از طرف زمین بر جسم وارد میشود، جاذبه زمین نام دارد.
نیروی جاذبه تا چند کیلومتری زمین است؟ در پاسخ به این سوال باید بگوییم این‌گونه نیست که جاذبه در فاصله‌ای مشخص از زمین به اتمام برسد، بلکه هر چه از زمین دورتر شویم، این نیرو نیز ضعیف‌تر میشود. بنابراین نمی‌توانیم فاصله‌ای مشخص از زمین را تعیین کنیم که در آن جاذبه‌ای وجود نداشته باشد. این موضوع البته برای تمام کیهان صادق است، چرا که اجرام فراوانی در جهان وجود داشته و هر کدام جاذبه‌ای ایجاد می‌کنند که اثرش، هر چند بسیار ناچیز، تا فاصله‌ای زیاد از آن‌ها وجود دارد.
نیروی جاذبه سیاره‌های منظومه شمسی
در میان سیاره های منظومه شمسی با توجه به اینکه سیاره مشتری و عطارد به ترتیب بزرگ‌ترین و کوچک‌ترین سیاره‌ها محسوب می‌شوند، دارای بیشترین و کمترین نیروی جاذبه در سامانه خورشیدی هستند. نیروی جاذبه سیاره مشتری ۲۴.۸ و عطارد نیز ۳.۷ متر بر مجذور ثانیه است؛ همچنین نیروی گرانش مریخ ۳.۷۲ متر بر مجذور ثانیه تخمین زده میشود. البته باید توجه داشت که جاذبه خورشید از همه سیاره‌های منظومه شمسی بیشتر است، چرا که بیشترین جرم را در میان اجسام این سامانه دارد.
در همین رابطه بخوانید: تصویر کهکشانی که جاذبه کهکشان همسایه آن را کج کرده است
در ادامه به شرح نظریه‌های دیگری که مرتبط با جاذبه هستند، می‌پردازیم.
گرانش کوانتومی
گرانش کوانتومی شاخه‌ای از فیزیک نظری بوده که به دنبال توصیف جاذبه بر اساس اصول مکانیک کوانتومی است. دانشمندان با بهره‌گیری از این نظریه همچنین در صدد توصیف جاذبه در مکان‌هایی هستند که نمی‌توان در آن‌ها اثرات کوانتومی را نادیده گرفت، مانند مجاورت سیاه چاله ها یا اجرام فشرده اخترفیزیکی مشابه هم و نیز جایی که اثرات جاذبه بسیار قوی است، مثل ستارگان نوترونی.
گرانش مصنوعی
جاذبه مصنوعی ایجاد نیروی اینرسی در فضاپیما به منظور شبیه‌سازی نیروی جاذبه است. این مفهوم اغلب در فیلم‌های علمی تخیلی مانند فیلم «پیشتازان فضا» دیده میشود، اما محققان در حال حاضر روی روش‌هایی برای ایجاد آن در فضا کار می‌کنند. تولید چنین نیرویی نه تنها اکتشافات فضایی آینده را آسان‌تر می‌کند، بلکه برای گردشگری فضایی و اقامت گردشگران در فضای بیرونی زمین نیز امری ضروری خواهد بود.
دلیل چنین امری آن است که اثرات ریزگرانش در فضا مخصوصا در بلند مدت می‌تواند برای انسان مضر باشد، بنابراین ایجاد جاذبه مصنوعی برای سفرهای فضایی طولانی مدت مانند سفر به مریخ نیز لازم است. در ادامه به بررسی جاذبه در نظریه نسبیت عام اینشتین می‌پردازیم.
نسبیت عام و نیروی گرانشی
نسبیت عام نظریه‌ای هندسی مرتبط با جاذبه است که آلبرت اینشتین آن را در سال ۱۹۱۵ مطرح کرد. وی معادله‌ای را ارائه داد که بر اساس آن قانون جهانی جاذبه نیوتون تغییر یافت و به «معادله میدان انیشتین (EFE)» شهرت پیدا کرد. در این نظریه کسانی که با سرعت ثابت در حرکتند و تمامی ناظران، یکسان و هم ارز هستند.
در نظریه نسبیت عام، جاذبه نتیجه خمیدگی فضا (مکان)-زمان است و نیرو محسوب نمی‌شود. در این نظریه در حقیقت جاذبه یک عامل هندسی است؛ در حالی که در قانون نیوتون به عنوان یک نیرو به شمار می‌رود.
اگر نیروی جاذبه نبود!
شاید برای شما هم این سوال پیش آمده باشد که اگر جاذبه نبود چه می‌شد؟ اگر نیروی چنین نیرویی نبود انسان‌ها و سایر اشیا وزنی نداشتند و ما هم احساس بی‌وزنی می‌کردیم، اتمسفر در فضا ناپدید شده، ماه با زمین برخورد می‌کرد، زمین از چرخش می‌ایستاد و با خورشید برخورد می‌نمود و در نتیجه همه ما از بین می‌رفتیم!
در همین رابطه بخوانید: چرا در فضا جاذبه کم است؟
امیدواریم این مقاله برای شما خوانندگان عزیز مفید بوده باشد. ما را از دیدگاه‌های خود بهره‌مند سازید و در قسمت نظرات، سوالاتتان را بپرسید؛ کارشناسان اسپاش به شما پاسخ می‌دهند.
آیا امکان نابودی خورشید است
سلام
این مطلب رو مطالعه بفرمایید:
پیش‌بینی زمان نابودی زمین توسط خورشید
سلام شبتان بخیر ستاره چه جوری به وجود میاد واگر نبود چی میشود سپاسگزارم ازمطلع سازیتان
سلام مقاله ما با موضوع ستاره چیست رو مطالعه بفرمایید