گرانش چیست
گرانش یا جاذبه، یک پدیدهٔ طبیعی است که در آن همهٔ
اجسامِ جرم‌مند (دارای جرم) یکدیگر را جذب می‌کنند. تأثیر گرانش بر این اجسام،
یعنی تأثیر جذب یک جسم جرم‌مند، بر جسم جرم‌مند دیگر، یا به درکِ ساده‌تر، هر جسم؛
بر جسمِ دیگر؛ و در ما آنرا به صورت وزن بر خود می‌بینیم. از آشناترین نمودهای
گرانش فروافتادن سیب از درخت است یا جذبِ وزنِ اشیاء فیزیکی و به کار گیری نیروی
تمایل دهنده رو به پایین بر آنها. پدیدهٔ گرانش معمولاً در مقیاس‌های بزرگ یا خیلی
بزرگ هنگامی که جرمِ دست‌کم یکی از اجسام درگیر، خیلی زیاد است رخ می‌نماید؛
بنابراین نمودهای گرانش در حرکت اجسام آسمانی و مسیر سیاره‌ها به گرد خورشید دیده
می‌شود. به‌طور کلاسیک، گرانش یکی از چهارنیروی اصلی‌طبیعت (سه نیروی دیگر:
الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی هسته‌ای قوی) شمرده می‌شود.
از میان این نیروها، گرانش از همه ضعیف‌تر است از این
رو در فرایندهای ریز-مقیاس که نیروهای دیگر حضور فعال دارند، اثر گرانش کاملاً
قابل چشم‌پوشی‌است. در فیزیک معاصر نظریه نسبیت عام برای توضیح این پدیده بکار می‌رود،
اما توضیح کمتر دقیق ولی ساده‌تر آن در قانون گرانش عمومی نیوتن یافت می‌شود. در
اکثر فعالیت‌های روزمره، از جمله فرستادن موشک به فضا قانون جاذبه عمومی نیوتن
کاملاً کارآمد است. هرجرم ذره‌ای جرم ذره‌ای دیگر را درراستای تقاطع آنها با
نیرویی جذب می‌کند این نیرو با حاصلضرب جرم‌ها متناسب است و با مربع فاصلهٔ آنها
رابطه عکس دارد. این قانون از قوانین بنیادی فیزیک است.
نیروی گرانشی حدود ۳۸ـ۱۰
برابرِ قدرت "نیروی هسته‌ای قوی" است (یعنی با تفاوت ۳۸ صفر، گرانش ۳۸
مرتبهٔ بزرگی ضعیف‌تراست)، ۳۶ـ۱۰ برابرِ قدرت نیروی الکترومغناطیسی و ۲۹ـ۱۰ برابرِ
قدرت "نیرویِ هسته‌ای ضعیف" است. به عنوان یک نتیجه، گرانش تأثیر ناچیزی
بر رفتار ذرات زیر اتمی، و هیچ نقشی در تعیین خواص داخلیِ روزمرهٔ ماده ایفا نمی‌کند.
از سوی دیگر، گرانش نیرویِ غالب در مقیاس ماکروسکوپی است، که علتِ ساختار، شکل، و
خط سیرِ (مدار) اجرام آسمانی، از جمله برخی از سیارک‌ها، دنباله‌دارها، سیارات،
ستارگان و کهکشان‌ها است.
این مسولِ دلیلِ گردش زمین و دیگر سیارات در مدار به
دور خورشید، دلیلِ دور زدن ماه به گِرد زمین، برای تشکیل جزر و مد، برای انتقال
طبیعی گرما، که از طریق آن جریان سیال تحت تأثیر شیب چگالی و وزن رخ می‌دهد، برای
گرم کردن فضایِ داخلی تشکیلِ ستاره‌ها و سیارات با درجه حرارت بسیار بالا، برای
سامانه خورشیدی، کهکشان‌ها، شکل‌گیریِ ستاره‌ای و تکامل آن؛ و برای پدیده‌های
مشاهده شده مختلف دیگر بر روی زمین و در سراسر جهان است. به چند دلیل: جاذبه تنها
نیرویِ وارد بر تمام ذرات است؛ با یک دامنه نامحدود؛ همیشه جذاب است و هرگز قهر
نمی‌کند!. نمی‌شود آنرا جذب کرد، تبدیل نمی‌شود، یا نمی‌شود در برابرش محافظت
داشت. حتی الکترومغناطیس به مراتب بسیار قوی تر از گرانش است. الکترومغناطیس
ارتباطی با اجرام آسمانی از جمله اجسامی که دارای تعداد مساوی از پروتون و الکترون
هستند ندارد. (به عنوان مثال، یک بار الکتریکی خالص صفر). اگرچه نیروی جاذبه ابتدا
توسط قوانین نیوتن و سپس نسبیت عام انیشتین به خوبی توصیف شد، با این وجود ما هنوز
نمی‌دانیم چگونه خواص بنیادین جهان با هم ترکیب می‌شوند و این پدیده را ایجاد می‌کنند.
قوانین نیوتن و انیشتین به ما می‌گویند که گرانش چگونه عمل می‌کند اما از منشأ
پیدایش آن چیزی بیان نمی‌کنند.
اصل هم‌ارزی
اصل هم‌ارزی، با کاوش‌های موفقی از
محققانی از جمله گالیله، لورند اوتوو، و اینشتین، این ایده را بیان می‌کند که همه
اجرام در یک مسیر یکسان سقوط می‌کنند. اصل هم‌ارزی یکی از مفاهیم بنیادی در نظریه
نسبیت عام است. این اصل دربارهٔ مفاهیمی است که با هم‌ارزی جرم گرانشی و جرم لختی
سر و کار دارند و همچنین دربارهٔ ادعای اینشتین مبنی بر اینکه قوانین فیزیک در یک
دستگاه مرجع با شتاب یکنواخت، با یک میدان گرانشی یکنواخت، یکسان هستند.ساده‌ترین
راه برای انجام آزمایشِ اصل هم‌ارزی ضعیف، آن است که دو جسم از توده یا ترکیبات
مختلف را همزمان در خلاء رها کنید، می‌بینید که هر دو همزمان به زمین برخورد می‌کنند.
چنین آزمایشی نشان می‌دهد که تمام اجرام، زمانی که اصطکاک (از جمله مقاومت در
برابر هوا) ناچیز است، در یک نسبت یکسان سقوط می‌کنند.
در آزمایش‌های پیچیدهٔ
بیشتر، از نوعی تعادلِ چرخش، اختراع شده توسط Eötvös
استفاده می‌شود. از آزمایش‌های ماهواره‌ای نیز، برای آزمایش‌های دقیق ترِ این اصل
در فضا استفاده می‌شود، اِستپ (به انگلیسی: STEP)
یکی از این برنامه‌هاست. فرمولاسیون اصل هم‌ارزی عبارت است از: اصل هم‌ارزی ضعیف:
مسیرِ نقطهٔ توده در یک میدان گرانشی، تنها به مکان و سرعت اولیه آن بستگی دارد، و
مستقل از ترکیب آن است. اصل هم‌ارزی انیشتین: نتیجه هر آزمایش غیر گرانشی محلی، در
یک آزمایشگاه نشان می‌دهد که جرم، آزادانه و مستقل از سرعت آزمایشگاهی و محل آن،
در فضازمان سقوط می‌کند.
بر اساس نظریه نسبیت عام، فضا-زمان پس‌زمینه منفعل
رویدادهای عالم نیست، بلکه خودش “چیزی” است که در حضور ماده می‌تواند خمیده شود،
کش بیاید و تاب بردارد. اینشتین این بحث را مطرح کرد که اگر فضا-زمان می‌تواند
اینگونه تاب بردارد پس می‌تواند مثل لرزانک هم بجنبد. وقتی چنین اتفاقی می‌افتد
موجی در فضا-زمان گسترش پیدا می‌کند، مثل دایره‌های هم مرکزی که انداختن سنگ در
برکه ایجاد می کند، این موج همان موج گرانشی است.
امواج گرانشی چگونه به وجود می‌آیند؟
دستتان را در هوا تکان دهید. شما همین الان امواج گرانشی ایجاد کردید؛ چینی در فضا-زمان انداختید که مثل موج دور می‌شود. اکنون این
امواج از کره زمین رفته و از ماه گذشته‌اند. در واقع آنها اکنون در راه مریخ
هستند. چهار سال دیگر به نزدیکترین منظومه ستاره‌ای به منظومه شمسی خودمان می‌رسند.
ما می‌دانیم که سیاره‌ای به دور یکی از سه ستاره آلفا
قنطورس می‌گردد. اگر این سیاره، میزبان یک تمدن صاحب تکنولوژی باشد و تا ابتدای
سال ۲۰۲۲ هم موفق شده باشد آشکارساز امواج گرانشی بسازد، امواج گرانشی را که شما
با دستتان چند لحظه پیش ایجاد کردید، ردیابی خواهد کرد. البته توجه داشته باشید که
این آشکارساز امواج گرانشی باید بی‌اندازه حساس باشد. امواج گرانشی وقتی سرعت جرم
تغییر می‌کند، یا “شتاب” می‌گیرد، تولید می‌شوند و بی‌نهایت ضعیف هستند، چون خود
گرانش خیلی ضعیف است. به همین قیاس می‌توان گفت که فضا-زمان خیلی سفت و محکم است.
منشاء امواج گرانشی
ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها نهایت تکامل ستاره‌های
بزرگ‌جرم هستند. وقتی ابرنواخترها منفجر می‌شوند، هسته آنها، کاملا بر عکس، در خود
فروفشرده می‌شود. اگر جرم هسته از حد مشخصی کمتر باشد -سفتی نوترون‌ها که به اصلاح
یک خاصیت کوانتومی است- می‌تواند این در خود جمع‌شدن را متوقف کند، در نتیجه ستاره‌ای
تقریبا به اندازه کوه اورست چنان فشرده می‌شود که تکه‌ای از آن به اندازۀ یک حبه
قند، به اندازه تمام نژاد بشر وزن خواهد داشت. اگر جرم هسته از حد مشخصی بیشتر
باشد، هیچ نیرویی نمی‌تواند جلوی جمع شدن آن را بگیرد، ستاره در خود فرو می‌ریزد و
تبدیل به سیاهچاله می‌شود.
نیروی گرانشی ده میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد بار
ضعیف‌تر از نیروی الکترومغناطیسی است که اتمها را کنار هم نگاه می‌دارد.
از ساخت اولین نمونه تلسکوپ لایگو در موسسه فناوری
کالیفرنیا در پاسادنا تا اولین ردیابی مستقیم موج گرانشی، ۴۴ سال طول کشید.
اولین موج گرانشی که ۱۴ سپتامبر سال ۲۰۱۵ ردیابی شد
۱.۳ میلیارد سال در راه بود تا به زمین برسد.
پنج پژوهشگر امواج گرانشی تا به حال برنده جایزه نوبل
شده‌اند: راسل هالس، جوزف تیلور، رینر وایس، کیپ تورن و بری بریش.
آینه‌های دو سوی تونل لایگو که چهار کیلومتر از هم
فاصله دارند ۹۹.۹۹۹ درصد نور را باز می تابانند.
دو رصدخانه امواج گرانشی(لایگو) در لیوینگستون و
هنفورد 3030 کیلومتر با هم فاصله دارند.
بیشتر ستاره‌ها دوقلو متولد می‌شوند، اما خورشید ما
استثنای نادری است. انتظار این است که بیشتر ستاره‌های بزرگ‌جرم دوقلو در پایان
عمر تبدیل شوند به: دو سیاهچاله یا دو ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله که دور یک
ستاره نوترونی می‌گردد. این که ستاره‌ها به دور یکدیگر می‌گردند و سرعتشان تغییر
می‌کند یا به عبارت دیگر شتاب دارند، به این معنی است که می‌توانند امواج گرانشی
ساطع کنند و این شیره انرژی مداری ستاره را می‌کشد. در نتیجه ستاره‌ها در مسیری
مارپیچ به سمت هم می‌روند، ابتدا آهسته و هر چه بگذرد سریعتر و سریعتر. این پدیده
را که تپ اختر دوتایی نام دارد، نخستین برای راسل هالس و جوزف تیلور در سال ۱۹۷۴
مشاهده کردند که برایشان به دلیل اولین ردیابی غیر مستقیم امواج گرانشی، جایزه
نوبل به ارمغان آورد.
اولین ردیابی مستقیم امواج گرانشی ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵
اتفاق افتاد و منشا آن دو سیاهچاله با ۲۹ و ۳۶ برابر جرم خورشید در کهکشانی در
فاصله ۱.۳ میلیارد سال نوری بودند. احتمال دارد که این دو بیشتر عمر کائنات را در
حال حرکت مارپیچی به سمت هم گذرانده باشند. اما فقط وقتی آنها به حدود ده دوازده
دور آخر رسیدند -با نصف سرعت نور- امواج گرانشی‌شان آنقدر قوی بود که ما بتوانیم
آن را از کره زمین رصد کنیم. ابتدا یک “جیرجیر” رصد شد که تقریبا حدود ۱۵ هزارم
ثانیه طول کشید. بعد وقتی فضا-زمان زیر فشار تاب برداشت و در هم پیچیده شد، فوران
نهایی و پرقدرت امواج گرانشی رخ داد و دو سیاهچاله به هم بوسه زدند و در هم ادغام
و تبدیل به یک سیاهچاله عظیم شدند.
تهیه شده توسط تیم تحریریه ویویدکس.