نیروی جاذبه زمین، نیروی پر رمز و راز خلقت

• توسط : محبوبه خاوری
• در : ۱۳۹۹-۰۲-۲۸
• در : طبیعت هوا و فضا

نیروی جاذبه Gravity یا نیروی گرانش زمین در کنار الکترومغناطیس و نیروهای هسته ای قوی و ضعیف، یکی از چهار نیروی اساسی جهان است. نیروی جاذبه همان قدر که بدیهی است و مانع از شناور شدن ما در هوا می شود؛ تا حدودی هنوز که هنوز است در حد یک معمای بزرگ برای دانشمندان باقی مانده است. همراه ما باشید تا ببینیم نیروی جاذبه چیست ، فرمول نیروی گرانش چیست و بسیاری از موارد دیگر که لازم است درباره نیروی جاذبه بدانید.

داستان کشف نیروی جاذبه

دانشمندان باستانی سال ها در پی توصیف جهان بودند و توجیهات مختلفی مربوط به این که چرا اجسام بر زمین می افتادند ارائه می کردند. به گفته فیزیکدان ریچارد فیتزپاتریک از دانشگاه تگزاس، ارسطو فیلسوف یونانی در خصوص این که چرا اشیاء به سمت پایین سقوط می کنند اظهار داشت که اشیاء تمایل طبیعی ای دارند که به سمت مرکز جهان حرکت کنند؛ ارسطو مرکز جهان را جایی در وسط زمین توصیف می کرد.
بعد ها و در دوره رنسانس که همه افکار و اندیشه های دوران باستان در حال تغییر و تجدید نظر بود، نیکلاس کوپرنیک Nicolas Copernicus، دانشمند بزرگ لهستانی، با ارائه این نظریه که اگر خورشید مرکز منظومه شمسی باشد؛ آنگاه این موضوع که سیارات مسیر بیشتری را در آسمان و در دور طبیعی خود به گرد خورشید طی می کنند، منطقی تر جلوه می کند.

نیروی جاذبه چیست – فرمول نیروی گرانش ( نیکلاس کوپرنیک )

بعد ها اسحاق نیوتن Isaac Newton، فیزیکدان انگلیسی، بینش پکپرنیک را گسترش داد و استدلال کرد که اگر خورشید نیرویی داشته باشد که سبب شود سیارات منظومه شمسی به دور آن بگردند؛ پس این امکان وجود دارد که اشیاء دیگر هم از چنین نیرویی برخوردار باشند.

بعد ها نیوتون در رساله معروف خود؛ “Philosophiae naturalis principiahematica” در سال ۱۶۸۷ آن چه را که ما هم اکنون به نام قانون عمومی جاذبه می شناسیم معرفی کرد.

بیشتر بخوانید : اطلاعاتی از ماه که باید بدانید

نیروی جاذبه چیست – فرمول نیروی گرانش

فرمول نیروی گرانش

نیوتون یک فرمول کلی را تحت عنوان فرمول نیروی گرانش به صورت زیر تعیین نمود.

F_g = G (m₁ ∙ m₂) / r²

در این فرمول F نیروی جاذبه است؛ m1 و m2 جرم دو جسم هستند و r فاصله بین آن ها است. G نیز نیروی ثابت گرانشی است که باید آن را از طریق آزمایش کشف کرد.

نیروی جاذبه چیست – فرمول نیروی گرانش

نیروی جاذبه قدرتمند است، اما نه آنقدر قدرتمند

گرانش نیروی قوی ای است اما در عین حال از ضعیف ترین نیروهای حاکم محسوب می شود؛ یک آهن ربا کوچک قادر است یک گیره کاغذ را به بالا بکشد و بر نیروی جاذبه زمین فائق آید. طبق گفته PBS’s Nova ، فیزیکدانان محاسبه کرده اند که گرانش ۴۰^۱۰ است (این عدد ۱ و ۴۰ صفر) است و ضعیف تر از نیروی الکترومغانطیسی است.

در حالی که اثر گرانش به وضوح در مقیاس چیزهایی مانند سیارات، ستاره ها و کهکشان ها قابل مشاهده است اما اندازه گیری نیروی گرانش بین اشیاء کوچک و ساده بسیار دشوار است. در سال ۱۷۹۸ ، هنری کاوندیش Henry Cavendish، فیزیکدان انگلیسی ، یکی از اولین آزمایشاتی که در آن دقت بالایی صرف شده بود انجام داد تا سعی کند دقیقاً مقدار G، ثابت گرانشی را تعیین کند. آزمایشات کاوندیش در مجموعه مقالات Science’s Front Matter ثبت شده است.
کاوندیش آنچه را که به عنوان تعادل چرخش شناخته شده است، ساخت و دو توپ سربی کوچک را به انتهای پرتو متصل به صورت افقی توسط یک سیم نازک متصل کرد. در نزدیکی هر یک از توپ های کوچک، او یک وزن i سربی d بزرگ و کروی قرار داد. توپ های سربی d کوچک از نظر گرانشی به وزن سنگین سرب جذب می شدند و باعث می شدند سیم فقط کمی بچرخد و این به کاوندیش اجازه می داد که G را محاسبه کند.

نیروی جاذبه چیست – فرمول نیروی گرانش ( آزمایش کاوندیش)

نکته قابل توجه، تخمین کاوندیش این است که در محاسبه G تنها ۱٪ خطا نسبت به مقدار ارزش پذیرفته شده امروزی آن وجود داشت. بیشتر ثابت های جهانی با دقت بسیار بالاتری محاسبه می شوند؛ اما از آنجا که گرانش بسیار ضعیف است دانشمندان باید تجهیزات فوق العاده حساسی را برای اندازه گیری اثرات آن طراحی کنند.

بیشتر بخوانید : ببر ها بزرگ ترین گربه های جهان

فیزیکدان آلمانی-آمریکایی آلبرت انیشتین انقلاب بعدی را در درک ما از جاذبه پدید آورد؛ نظریه نسبیت عام وی نشان داد كه جاذبه ناشی از انحنای فضا-زمان است، بدین معنی كه حتی اشعه های نور كه ​​باید از این انحنا پیروی كنند نیز تحت تأثیر آن قرار می گیرند.
از نظریه های انیشتین برای گمانه زنی در مورد وجود سیاهچاله ها استفاده شده است – پدیده های فضایی که به سرعت همه چیز را می بلعند و حتی نور قادر به فرار از آن نیست. – با مطرح شدن وجود سیاهچاله ها، قانون جاذبه جهانی نیوتن دیگر دقیقاً نحوه حرکت اشیاء را توصیف نمی کند و حالا دیگر برتری به معادلات میدان تانسور انیشتین تعلق دارد.

نیروی جاذبه چیست – فرمول نیروی گرانش (آلبرت انیشتین)

ستاره شناسان از آن زمان سیاهچاله های واقعی را در فضا کشف کرده اند؛ حتی می توانند تصویر مفصلی از مرکز کهکشانی که ما در آن زندگی می کنیم ارائه کنند. بسیاری از اخترشناسان توانسته اند با کمک تلسکوپ ها اثرات سیاهچاله ها را در سراسر جهان مشاهده نمایند.
طبق قانون Minute Physics، محاسبه قانون گرانش نیوتن در اشیاء بسیار سبک، مانند افراد، سلول ها و اتم ها، همچنان دشوار است و کار ساده ای محسوب نمی شود. تصور کلی و رایج میان محققان این است که چنین اشیائی با استفاده از همان قوانین گرانشی سیارات و ستارگان، یکدیگر را به خود جذب می کنند، اما به دلیل اینکه نیروی جاذبه آن ها بسیار ضعیف است؛ اندازه گیری این میزان کار دشواری است.

نیروی جاذبه چیست – فرمول نیروی گرانش

شاید، اتم ها به جای یک مربع، فاصله ای نسبت به مسافت خود را به صورت مربع به یکدیگر جذب می کنند؛ اما این ها در حد حدس و گمان است و ابزارهای فعلی ما کمکی در جهت اثبات آن نمی کنند.  اگر فقط بتوانیم چنین نیروهای گرانشی کوچکی را بسنجیم؛ آن گاه پاسخ به این سوالات راحت تر خواهد بود.

جاذبه یک نیروی پیچیده در رمز و راز

جاذبه دانشمندان را از جهات دیگری نیز به فکر واداشته است؛ مدل استاندارد فیزیک ذرات، که عملکرد تقریباً همه ذرات و نیروهای شناخته شده را توصیف می کند، جاذبه را پوشش نمی دهد. در حالی که نور توسط ذره ای به نام فوتون حمل می شود، فیزیکدانان نمی توانند ذره مشابهی برای آن بیابند و برای مثال آن را گراویتون Graviton بنامند.

نیروی جاذبه چیست – فرمول نیروی گرانش

گردهمایی جاذبه در یک چارچوب نظری با مکانیک کوانتومی، یکی دیگر از کشف های مهم جامعه فیزیک قرن بیستم است که البته هنوز ناتمام باقی مانده است. نیروی اسرار آمیز جاذبه هنوز رازهای بسیاری برای کشف شدن دارد. در دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، ستاره شناسانی به نام ورا روبین Vera Rubin و کنت فورد Kent Ford نشان دادند که ستارگان در لبه های کهکشان ها سریعتر از حد ممکن در حال چرخش هستند و سرعت آن ها به گونه ای است که گویا برخی توده های نامرئی به صورت گرانشی روی آنها می چرخیدند و موادی را روشن می کنند که اکنون ما آن را ماده تاریک Dark Matter می نامیم؛ البته بحث های زیادی پیرامون ماده تاریک وجود دارد اما دانشمندان هنوز در مورد وجود آن به توافق جمعی نرسیده اند.

نیروی جاذبه چیست – فرمول نیروی گرانش

در سالهای اخیر، دانشمندان نیز موفق شده اند نتیجه دیگری از نسبیت انیشتین به دست آورند –  هنگامی که اشیاء عظیمی مانند ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها به دور یکدیگر می چرخند، امواج گرانشی از آن ها ساطع می شود. از سال ۲۰۱۷ ، رصدخانه گرانشی (Interferometer Gravitational-Wave (LIGO با ردیابی سیگنال بسیار ضعیف چنین رویدادهایی؛ پنجره جدیدی رو به جهان علم و دانش ما راجع به جاذبه گشوده است.