گرانش، نيروي جاذبه ايست که بين همه اجرام، به خاطر جرمشان، وجود دارد. جرم يک جسم، مقدار ماده آن است.به دليل وجود گرانش، جرمي که در نزديک زمين قرار گيرد به سمت سطح اين سياره سقوط مي کند. جرمي که در سطح زمين است نيز نيرويي به سمت پائين را به دليل گرانش تجربه مي کند.
گرانش، نيروي جاذبه ايست که بين همه اجرام، به خاطر جرمشان، وجود دارد. جرم يک جسم، مقدار ماده آن است. به دليل وجود گرانش، جرمي که در نزديک زمين قرار گيرد به سمت سطح اين سياره سقوط مي کند. جرمي که در سطح زمين است نيز نيرويي به سمت پائين را به دليل گرانش تجربه مي کند. ما اين نيرو را در بدن خود به شکل وزن تجربه مي کنيم. گرانش، گازهاي تشکيل دهنده خورشيد را در کنار هم نگاه مي دارد و باعث مي شود سيارات در مدار خود به دور خورشيد قرار داشته باشند.
مردم، قرنها در مورد گرانش دچار اشتباه بودند. در سال 300 قبل از ميلاد مسيح، فيلسوف و دانشمند يوناني، ارسطو، بر اساس يک باور اشتباه فکر مي کرد که اجرام سنگين سريعتر از اجرام سبک سقوط مي کنند. اين باور تا اوايل 1600 ميلادي همچنان در بين مردم پابرجا بود تا اينکه دانشمند ايتاليايي، گاليله اين باور را اصلاح نمود. گاليله گفت که شتاب همه اجرام به هنگام سقوط با هم برابر است مگر اينکه مقاومت هوا يا نيروهاي ديگري بر آن تاثير بگذارد. شتاب يک جرم، مقدار تغيير در سرعت آن جرم است. بنابراين اگر يک جرم سنگين و يک جرم سبک را همزمان با هم از يک ارتفاع پرتاب کنيم در يک زمان به زمين مي رسند.

قوانين گرانش نيوتوني

ستاره شناسان در گذشته توانستند حرکات ماه و سيارات بر فراز آسمان را اندازه گيري کنند. با اين حال تا اوايل سال 1600، هيچيک نتوانستند به درستي اين حرکات را توضيح دهند. در آن زمان، ايزاک نيوتون دانشمند انگليسي، ارتباطي را بين حرکات اجرام سماوي و نيروي جاذبه زمين توصيف نمود.
در سال 1665، زمانيکه نيوتون 23 ساله بود، سقوط يک سيب اين سوال را در ذهن او ايجاد کرد که نيروي گرانش زمين تا چه فاصله اي تاثير گذار است. نيوتون کشف خود را در سال 1687 به نام "ريشه هاي رياضي در فلسفه طبيعت " تشريح نمود. نيوتون به کمک قوانين حرکت سيارات که توسط ستاره شناس آلماني يوهانس کپلر کشف شده بود، نشان داد که چگونه نيروي گرانش خورشيد با افزايش فاصله کاهش مي يابد. او سپس فرض کرد که گرانش زمين نيز به روشي مشابه در فواصل دور کاهش مي يابد. نيوتون مي دانست که گرانش زمين، ماه را در مدار خود قرار داده است و مقدار گرانش زمين در آن فاصله را اندازه گيري کرد. او به کمک فرض خود، بزرگي گرانش در سطح زمين را به دست آورد. عدد به دست آمده، بزرگي همان نيرويي بود که سيب را به زمين کشاند.
قانون گرانش نيوتون مي گويد که نيروي گرانش بين دو جرم ارتباط مستقيم با جرم آن دو دارد. يعني هر چه جرم آنها بيشتر باشد، نيروي گرانش بين آن دو بيشتر است. اين قانون همچنين مي گويد که نيروي گرانش بين دو جرم ارتباط عکس با فاصله بين دو جرم به توان دو دارد. براي مثال اگر فاصله بين دو جرم دو برابر شود، نيروي گرانش بين آنها يک چهارم مي شود. فرمول قانون نيوتون به صورت F=m1m2/d2 مي باشد که در آن F نيروي گرانش بين دو جرم، m1 و m2 مقدار مواد دو جرم و d2 فاصله بين دو جرم به توان دو است.
تا اوايل 1900، دانشمندان تنها يک حرکت را مشاهده کرده بودند که بر اساس قانون نيوتون قابل توضيح نبود و آن جابجايي کوچکي در مدار عطارد به دور خورشيد بود. مدار عطارد، مانند مدار ديگر سيارات بيضي شکل است. خورشيد درست وسط اين بيضي قرار ندارد. به همين دليل يک نقطه در اين مدار نسبت به ديگر نقاط آن به خورشيد نزديکتر است. اما مکان اين نقطه در هر بار گردش سياره به دور خورشيد اندکي تغيير مي کند. دانشمندان به اين جابجايي، سبقت سياره مي گويند. دانشمندان از قانون نيوتون براي محاسبه اين جابجايي استفاده کردند اما نتيجه معادله با آنچه که مشاهده مي شود اندکي متفاوت است.

تئوري گرانش انيشتين

در سال 1915، آلبرت انيشتين، فيزيکدان متولد آلمان، تئوري فضا-زمان-گرانش يا تئوري نسبيت عام را معرفي کرد. تئوري انيشتين طرز فکر دانشمندان به گرانش را به کلي دگرگون کرد. البته اين تئوري، قانون نيوتون را رد نکرد بلکه آنرا گسترش داد. در بيشتر موارد، نتيجه اي که از تئوري نسبيت حاصل مي شد، اندکي با نتيجه به دست آمده از قانون نيوتون متفاوت بود. براي مثال، انيشتين از تئوري خود براي اندازه گيري سبقت مداري سياره عطارد استفاده کرد و نتيجه به دست آمده درست برابر با مشاهدات بود. اين نخستين آزمون براي تائيد تئوري نسبيت عام به حساب آمد.
تئوري انيشتين بر اساس دو چيز استوار بود. اول، ماهيتي به نام فضا-زمان و دوم قانوني که به نام اصل هم ارزي شناخته مي شود.

فضا-زمان

در رياضيات پيچيده نسبيت، زمان و فضا از هم جدا نيستند. در عوض، فيزيکدانان به مجموعه اي از زمان و فضاي سه بعدي شامل طول، عرض و ارتفاع، فضا-زمان مي گويند. انيشتين چنين بيان کرد که ماده و انرژي مي توانند با ايجاد انحنا در فضا-زمان، شکل آنرا تغيير دهند و گرانش در واقع تاثير اين انحنا در فضا-زمان مي باشد.
اصل هم ارزي مي گويد که تاثيرات گرانش و تاثيرات شتاب با هم برابرند. براي درک اين اصل، تجسم کنيد که شما در سفينه اي هستيد که به هيچ جرم آسماني نزديک نيست. بنابراين سفينه شما تحت تاثير هيچ گونه نيروي گرانشي قرار ندارد. فرض کنيد که سفينه شما به سمت جلو مي رود اما شتاب ندارد. به بياني ديگر، سفينه شما با سرعتي ثابت و در جهتي ثابت حرکت مي کند. اگر شما توپي را بيرون بگيريد و رها کنيد، توپ سقوط نخواهد کرد. در عوض، در کنار شما معلق خواهد ماند.
اما فرض کنيد که سفينه شما با افزايش سرعت، شتاب بگيرد. در اين هنگام توپ ناگهان به سمت پائين سفينه سقوط خواهد کرد دقيقا مانند زمانيکه تحت تاثير گرانش قرار بگيرد.

پيش بيني هاي نسبيت عام

از زمانيکه محاسبه سبقت مداري عطارد، تئوري نسبيت را تائيد نمود، مشاهدات زيادي براي بررسي پيش بيني هاي تئوري نسبيت انجام گرفت. برخي از نمونه ها عبارتند از: انحراف پرتوهاي نور و امواج راديويي، وجود امواج گرانش و سياه چاله ها و گسترش کائنات.

انحراف پرتوهاي نور

تئوري انيشتين پيش بيني مي کرد که گرانش مي تواند مسير پرتوهاي نور را هنگاميکه از نزديک يک جرم سنگين عبور مي کنند دچار انحراف کند. انحراف به اين دليل به وجود مي آيد که اجرام، فضا-زمان را دچار انحنا مي کنند. خورشيد به قدري سنگين هست که بتواند پرتوهاي نور را منحرف نمايد و دانشمندان در سال 1919، در حين يک کسوف کامل توانستند اين پيش بيني را تائيد کنند.

ايجاد انحراف و کاستن از سرعت امواج راديويي

اين تئوري همچنين پيش بيني کرد که خورشيد امواج راديويي را منحرف کرده و سرعت آنها را کاهش مي دهد. دانشمندان با اندازه گيري انحرافي که خورشيد در امواج راديويي ارسال شده توسط کوازارها (اجرام بسيار بسيار قدرتمند که در مرکز برخي کهکشانها قرار دارند) ايجاد مي کند اين پيش بيني را نيز تائيد کردند.
محققين تاخير امواجي که از کنار خورشيد عبور مي کردند را با ارسال سيگنالهايي بين زمين و فضاپيماي وايکينگ که در سال 1976 به مريخ رسيد، اندازه گيري کردند. آن اندازه گيريها همچنان يکي از پر ارزش ترين تائيديه هاي تئوري نسبيت به حساب مي آيند.

امواج گرانشي

تئوري نسبيت نشان داد که اجرام سنگيني که به دور يکديگر در چرخشند، امواجي را به نام امواج گرانشي منتشر مي کنند. از سال 1974، دانشمندان حضور اين امواج را به طور غير مستقيم با مشاهده اجرامي به نام تپ اختر دوتايي تائيد کرده اند. تپ اختر دوتايي نوعي ستاره نوتروني است که با سرعت بسيار زياد به دور جرمي مشابه خود اما کوچکتر و غير قابل مشاهده مي چرخد. ستاره نوتروني متشکل از سلولهاي نوترون، ذره اي که به طورمعمول تنها در هسته اتمها يافت مي شود، مي باشد.
يک تپ اختر ، دو موج راديويي را در دو جهت مخالف هم منتشر مي کند. با چرخش ستاره حول محور خود، موجها مانند پرتوهاي نور يک نورافکن در فضا پخش مي شوند. اگر يکي از اين امواج راديويي به زمين برسد، تلسکوپهاي راديويي اين موج را به صورت يک سري پالس دريافت مي کنند. با مشاهده دقيقتر تغييرات پالسهاي يک تپ اختر دوتايي، دانشمندان مي توانند دوره مداري (زمانيکه دو ستاره يک دور کامل در مدار خود مي زنند) آن را تخمين بزنند.
مشاهدات تپ اختر دوتايي PSR 1913+16 نشان داد که دوره مداري آن کاهش مي يابد و ستاره شناسان اين مقدار کاهش را اندازه گيري کردند. دانشمندان همچنين از معادلات نسبيت عام براي محاسبه مقدار کاهش دوره مداري، در صورت انتشار امواج گرانشي، استفاده کردند. مقدار محاسبه شده دقيقا برابر با مقدار اندازه گيري شده بود.

سياهچاله ها

تئوري انيشتين حضور اجرامي به نام سياهچاله ها را پيش بيني کرد. سياهچاله منطقه اي در فضا است که نيروي گرانش آن اجازه گريز به هيچ چيز حتي پرتوهاي نور را نمي دهد. محققان مدارک مستدلي در دست دارند که نشان مي دهد اغلب ستارگان سنگين در نهايت به سياهچاله تبديل مي شوند و بيشتر کهکشانها داراي يک سياهچاله عظيم الجثه در مرکز خود مي باشند.

گسترش کائنات

انيشتين در سال 1917، مقاله نسبيت عام را که مطالعه اي بر کل کيهان بود ارائه نمود. بر اساس اين تئوري، کائنات يا در حال گسترش است و يا در حال انقباض. در آن سال دانشمندان مدارک قاطعي براي پذيرفتن هيچ يک از آن دو حالت در دست نداشتند. انيشتين براي پيشگيري از بروز مخالفت ديگران با تئوري نسبيت عام، عاملي به نام ثابت کيهاني را به تئوري خود افزود. ثابت کيهاني، دفع هر ذره در فضا توسط ذرات اطرافش، براي پيشگيري از انقباض جهان مي باشد.
بالاخره در سال 1929، ستاره شناس آمريکايي ادوين هابل (Edwin Hubble) کشف کرد که کهکشانهاي دوردست در حال دور شدن از زمين مي باشند و هر چه فاصله کهکشان از زمين بيشتر است سرعت دور شدن آن نيز بيشتر است. کشف هابل نشان داد که دنيا در حال انبساط است. در پي اين اکتشاف و تائيد آن توسط مشاهدات ستاره شناسان ديگر، انيشتين ثابت کيهاني را از تئوري خود حذف نمود و آن را بزرگترين اشتباه خود توصيف کرد.
کشف گسترش کائنات به همراه مشاهدات ديگر، منجر به شکل گيري تئوري منشا کائنات يعني تئوري بيگ بنگ يا مهبانگ شد. بر اساس اين تئوري، جهان در پس يک انفجار مهيب آغاز شده است. در آغاز، کل جهاني که ما امروز در اين ابعاد و اندازه مي بينيم، به کوچکي يک تيله بوده است. سپس مواد شروع به گسترش کرده و اين گستردگي تا به امروز ادامه يافته است.

انرژي تاريک

گرچه انيشتين ثابت کيهاني را بزرگترين اشتباه خود خواند اما شايد اين عامل يکي از بزرگترين دستاوردهاي مطالعات او باشد. اندازه گيريهايي که در سال 1998 گزارش شدند نشان مي دهند که جهان با سرعت بيشتر و بيشتري رو به گسترش است. به علاوه، سرعت گسترش همانطور که در نسبيت عام با ثابت کيهاني محاسبه شده بود، افزايش يافته است.
تا قبل از انتشار گزارشات، ستاره شناسان همگي فکر مي کردند که از سرعت گسترش به دليل وجود گرانش بين کهکشانها، کاسته شده است. اندازه گيريها نشان دادند که انفجارهاي ابر نواختر در کهکشانهاي دور دست، کم نور تر از آن هستند که انتظار مي رود بنابراين کهکشانها دورتر از آن هستند که ما تصور مي کنيم. اما اين کهکشانها فقط در صورتي مي توانند چنين فاصله دوري از ما داشته باشند که افزايش سرعت گسترش از گذشته آغاز شده باشد.
ستاره شناسان به اين نتيجه دست يافته اند که افزايش سرعت گسترش کائنات وابسته به عاملي است که بر خلاف گرانش عمل مي کند. اين عامل ممکن است ثابت کيهاني و يا چيزي به نام انرژي تاريک باشد. دانشمندان هنوز به يک تئوري براي وجود انرژي تاريک نرسيده اند اما آنها مي دانند که چقدر از آن احتمالا در دنيا وجود دارد. مقدار انرژي تاريک کائنات حدودا دو برابر مقدار ماده در آن است.
ماده در جهان شامل دو نوع است: ماده مرئي و ماده اسرار آميزي به نام ماده تاريک. دانشمندان از ترکيب بندي ماده تاريک بي اطلاعند. اما اندازه گيريهاي حرکت ستارگان و ابرهاي گاز در کهکشانها دانشمندان را وادار به باور نمودن وجود چنين ماده اي کرده است. اين اندازه گيريها نشان داده اند که جرم کهکشانها چندين بار بيشتر از جرم اجرام مرئي در آنها است. همه اين مشاهدات بيانگر اين هستند که مقدار ماده تاريک در کائنات 30 برابر ماده مرئي در آن است.

گرانش و سن جهان

مشاهدات ديگري که انجام گرفته اند نشان دادند که تئوري نسبيت عام در همه جاي کائنات کاربرد دارد. کيهان شناسان عمر جهان را به کمک معادلات نسبيت عام، ميزان سرعت گسترش جهان و مقدار تخميني ماده و انرژي تاريک محاسبه کردند. مقدار محاسبه شده، حدودا 14 بيليون سال، با نتايج به دست آمده توسط دو روش ديگر محاسبه عمر جهان يعني محاسبه بر اساس تکامل ستارگان و محاسبه بر اساس نيمه عمر راديواکتيو ستارگان پير، همخواني داشت.

تکامل ستارگان

همراه با رشد و تکامل ستاره، دماي سطحي و نورانيت آن به روش کاملا شناخته شده اي تغيير مي کند. ستاره شناسان مي توانند با اندازه گيري دماي سطحي و نورانيت يک ستاره، سن آن را تشخيص دهند. با بهره گيري از اين روش، پير ترين ستاره اي که تا کنون ستاره شناسان پيدا کرده اند حدود 13 بيليون سال عمر دارد.
نيمه عمر راديو اکتيو بر اساس اين واقعيت است که عناصر شيميايي مشخص، دچار تجزيه راديواکتيو مي شوند. در تجزيه راديواکتيو، يک ايزوتوپ از يک عنصر به ايزوتوپ عنصري ديگر تبديل مي شود. ايزوتوپ هاي راديواکتيو با سرعت مشخص و شناخته شده اي تجزيه مي شوند.
در سال 2001، دانشمنداني که در شيلي، با تلسکوپ بزرگ رصدخانه اروپاي جنوبي کار مي کردند، با تکنيک نيمه عمر راديواکتيو، ستاره اي پير در کهکشان راه شيري را مورد مطالعه قرار دادند. محققان اورانيوم 238 که شامل 92 پروتون و 146 نوترون است را بررسي کردند. دانشمندان مي دانستند که آن ستاره در زمان شکل گيري شامل چه مقدار اورانيوم بوده است. آنها مقدار اورانيوم فعلي آن را اندازه گيري کردند. آنان با استفاده از اطلاعات به دست آمده و محاسبات، عمر اين ستاره را به دست آوردند. به احتمال خيلي زياد آن ستاره 5/12 بيليون سال عمر دارد، بنابراين عمر جهان احتمالا از آن بيشتر است. محاسبه عمر چندين ستاره پير ديگر نيز تقريبا به همين نتيجه ختم شد.

---

تصاوير زيبا و مرتبط با اين مقاله