پايان فيزيك - بخش ششمبرگرفته از كتاب Stephen Hawking - The story of his life and work نوشته Kitty Ferguson
گرانش
از گرانش و نور چه مي‌دانيم؟
گرانش (جاذبه) يكي از نيروهاي چهارگانه و براي ما از همه آشناتر است.
در كودكي به ما ياد داده‌اند كه هنگامي كه بستني مي‌خوريم، اگر روي قالي بريزد يا وقتي از روي تاب به زمين مي‌افتيم، گناه از نيروي گرانش است. اگر از شما بخواهند حدس بزنيد كه آيا نيروي جاذبه خيلي ضعيف يا خيلي قوي است، چه ميگوييد؟ احتمالا خواهيد گفت: « فوق‌العاده قوي است!». در اين صورت در اشتباه خواهيد بود. اين نيرو به‌مراتب، از سه نيروي ديگر ضعيف‌تر است. گرانشي كه در زندگي روزمره ما، اين قدر محسوس است، گرانش سياره بسيار بزرگي است كه روي آن زندگي مي‌كنيم يا در حقيقت، برآيند گرانش همه ذرات موجود در زمين است. سهم هر ذره، ناچيز است. براي اندازه‌گيري جاذبه گرانشي ضعيف بين اشياء كوچكي كه هر روز با آنها سروكار داريم، به‌دستگاه‌هاي خيلي دقيق، نيازمنديم. ضمن اين كه گرانش هميشه حالت جذب دارد و هرگز دفع نمي‌كند، پس خصوصيت جمع‌پذيري دارد.
جان ويلر فيزيكدان، مايل است گرانش را شبيه يك سيستم دموكراتيك فرض كند. هر ذره يك رأي دارد كه مي‌تواند بر هر ذره ديگر موجود در جهان اثر بگذارد. اگر ذرات جمع شوند و رأي جمعي بدهند(مثلاْ در يك ستاره يا زمين)، تأثير بيشتري اعمال مي‌كنند. جاذبه گرانش بسيار ضعيف تك‌تك ذرات، در اجسام بزرگي مثل زمين مانند همان راي دسته جمعي، با هم جمع مي‌شوند و نيروي قابل توجهي پديد مي‌آورند.
هر چقدر ذرات مادي كه يك جسم را تشكيل مي‌دهند، زيادتر باشد، جرم آن جسم بيشتر است. جرم با اندازه يك جسم تفاوت دارد. جرم تعيين مي‌كند كه چه قدر ماده در جسمي وجود دارد، يا تعداد آرا، در اين رأي دسته جمعي چقدر است (بدون توجه به تراكم و تفرق اين ذرات ماده)
سر ايزاك نيوتن، در سالهاي 1600 پروفسور كرسي لوكاشين رياضيات در كمبريج بود. وي همان مقامي را داشت كه هاوكينگ امروزه دارد. نيوتن قوانيني را كشف كرد كه چگونگي عمل گرانش را در شرايط كم و بيش عادي، توضيح مي‌دهند. نخست اين كه اجسام درجهان درحال سكون نيستند. آنها به‌حال سكون نمي‌مانند تا نيرويي آنها را با كشيدن يا راندن به حركت درآورد و سپس با « از كار افتادن » اين نيرو، بار ديگر به حال سكون درآيند. بلكه بر عكس، اگر جسمي كاملاْ به حال خود گذارده شود، در امتداد يك خط راست بدون تغيير جهت و تغيير تندي به حركت خود ادامه مي‌دهد. بهترين ديدگاه آن است كه فكر كنيم، در جهان، همه چيز در حال حركت است. ما مي‌توانيم سرعت يا جهت حركت خود را نسبت به ساير اجسامي كه در جهان وجود دارند، بسنجيم، اما نمي‌توانيم آن را نسبت به سكون مطلق يا چيزي مثل شمال و جنوب، بالا يا پايين مطلق اندازه‌گيري كنيم.
به عنوان مثال، اگر كره ماه در فضا تنها بود، در حال سكون نمي‌ماند بلكه در امتداد خط راست بدون تغيير سرعت، به حركت خود ادامه مي‌داد.
البته اگر ماه واقعاْ تنها بود، امكان نداشت كه حركت آن را به گونه‌اي كه گفته شد، بيان كنيم زيرا چيزي نبود كه حركت ماه را به آن نسبت دهيم. اما ماه كاملاْ تنها نيست. نيرويي موسوم به گرانش، ماه را وادار مي‌كند كه تندي حركت و جهت حركت خود را تغيير دهد. اين نيرو از كجا مي‌آيد؟ اين نيرو از مجموعه آراء ذرات نزديك به‌هم (جسمي با جرم زياد) مي‌آيد كه همان زمين باشد. ماه در برابر اين تغيير، مقاومت مي‌كند و سعي مي‌كند كه حركت خود را روي يك خط راست نگه دارد. در همين حال، گرانش ماه نيز روي زمين تأثير مي‌گذارد. مي‌دانيم كه نمونه بارزش جذر و مد اقيانوس‌هاست.
نظريه گرانش نيوتن به ما مي‌گويد كه مقدار جرم يك جسم، چگونه بر شدت گرانش بين آن جسم و جسم ديگر، تأثير مي‌گذارد. اگر عوامل ديگر تغيير نكنند، هر قدر جرم زيادتر باشد، جاذبه شديدتر خواهد بود. اگر زمين دو برابر جرم فعلي خود را داشت، جاذبه‌‌اي كه بين زمين و ماه وجود دارد، نسبت به جاذبه كنوني آن، دو برابر مي‌شد. اما اگر فاصله ماه تا زمين، دو برابر فاصله كنوني بود، شدت جاذبه بين آنها يك‌چهارم شدت فعلي مي‌شد. (نظريه گرانش نيوتن را در كتب پايه فيزيك ببينيد)
نظريه گرانش نيوتن، نظريه بسيار موفقي بود و تا 200 سال بعد، مورد تجديد نظر واقع نشد. هنوز هم ما از آن استفاده مي‌كنيم در حالي كه مي‌دانيم، در بعضي شرايط، مثلاْ اگر نيروهاي گرانشي فوق‌العاده شديد باشند(به عنوان مثال در نزديكي يك سياهچاله)، يا زماني كه اجسام با سرعتي معادل نور حركت كنند، اين نظريه ديگر صادق نيست.
آلبرت اينشتين، در اوايل اين قرن، به مشكلي در نظريه نيوتن پي برد. دانستيم كه نيوتن، شدت گراني بين دو جسم را به فاصله آنها، مربوط مي‌دانست. در صورتي كه اين فرضيه درست باشد، اگر خورشيد در يك لحظه به هر دليلي به فاصله خيلي دورتر از زمين برود، مي‌بايستي جاذبه بين خورشيد و زمين در همان لحظه تغيير كند. آيا چنين چيزي ممكن است؟
نظريه نسبيت خاص اينشتين مي‌گويد كه سرعت نور ثابت است. در هر مكان از جهان و با هر سرعتي كه اجسام حركت كنند، سرعت نور تغيير ناپذير است و هيچ سرعتي، بالاتر از سرعت نور نيست. نور خورشيد در زماني معادل 8 دقيقه به ما مي‌رسد. بنابراين، ما هميشه خورشيد را آن طور مي‌بينيم كه هشت دقيقه پيش بوده است. اگر خورشيد از زمين دور شود، 8 دقيقه بعد، ما به هر اثري كه اين تغيير فاصله داشته باشد، پي خواهيم برد. براي 8 دقيقه،ما خورشيد را در همان مدار مي‌بينيم كه قبلاً ديده‌ايم. مثل اينكه خورشيد حركتي نكرده است. به عبارت ديگر، اثر گراني يك جسم بر جسم ديگر، نمي‌تواند فوراْ تغيير كند! زيرا سرعت انتقال گرانش كه زيادتر از سرعت نور نيست. اطلاع از اينكه خورشيد چه اندازه دور شده است، نمي‌تواند فوراْ از طريق فضا به ما برسد. اين اطلاع‌رساني، به هر وسيله‌اي كه باشد، سريعتر از سرعت نور، يعني 300000 كيلومتر در ثانيه كه نخواهد بود. بنابر اين، روشن است كه اگر بخواهيم در باره حركت اجسام در جهان گفتگو كنيم، واقع بينانه نخواهد بود كه تنها سه بعد فضا را در نظر بگيريم. اگر هيچ چيز نمي‌تواند سريعتر از نور منتقل شود، چيزهايي در فاصله‌هاي نجومي، صرفاْ بدون يك عامل زمان نه براي ما وجود دارند و نه براي خود آن چيزها بين يكديگر! توصيف جهان در سه بعد همان قدر ناكافي است كه بخواهيم يك مكعب را در دو بعد توصيف كنيم. بسيار پرمعني‌تر خواهد بود كه بعدي به‌نام زمان را به ابعاد ديگر اضافه كنيم. يعني بپذيريم كه در واقع، چهار بعد وجود دارد و به بحث فضا ـ زمان بپردازيم.
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)