نیروی گرانش: نیروی نامرئی که جهان را می‌چرخاند
گرانش چیست؟ یک معرفی ساده
فرض کنید یک توپ را به بالا پرتاب می‌کنید. پس از مدتی، توپ از حرکت می‌ایستد و به سمت زمین برمی‌گردد. چرا؟ یا چرا وقتی از روی یک صندلی می‌پریم، همیشه به سمت پایین می‌افتیم و نه به سمت بالا؟ پاسخ همه این پرسش‌ها در یک کلمه خلاصه می‌شود: گرانش.
گرانش نیرویی است که هر جسمی را که جرم۴ دارد، به سوی جسم دیگری با جرم، می‌کشد. این یک نیروی همیشه کشنده و نامرئی است. زمین به دلیل جرم بسیار زیادی که دارد، گرانش قدرتمندی ایجاد می‌کند که همه چیز از جمله ما، هوا و اقیانوس‌ها را به سوی خود می‌کشد. به همین دلیل است که ما روی زمین می‌مانیم و در فضا شناور نمی‌شویم.
کشف بزرگ آیزاک نیوتن و قانون جهانی گرانش
داستان معروفی وجود دارد که می‌گوید آیزاک نیوتن، دانشمند بزرگ انگلیسی، با افتادن یک سیب از درخت به فکر بررسی نیروی گرانش افتاد. البته این داستان ممکن است کاملاً واقعی نباشد، اما نشان‌دهنده ساده‌ترین شکل گرانش است. نیوتن در قرن هفدهم میلادی دریافت که نیرویی که باعث سقوط سیب می‌شود، همان نیرویی است که ماه را در مدار خود به دور زمین نگه می‌دارد. او این کشف را در قانون جهانی گرانش نیوتن بیان کرد.
$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$
در این فرمول:
- $F$ = نیروی گرانش بین دو جسم (بر حسب نیوتن)
- $G$ = ثابت جهانی گرانش ($6.67430 \times 10^{-11} \text{N·m}^2/\text{kg}^2$)
- $m_1$ و $m_2$ = جرم دو جسم (بر حسب کیلوگرم)
- $r$ = فاصله بین مراکز دو جسم (بر حسب متر)
این قانون به ما می‌گوید:
- اگر جرم جسمی بیشتر باشد، نیروی گرانش قوی‌تر است. گرانش زمین از گرانش ماه بسیار قوی‌تر است زیرا جرم زمین بسیار بیشتر است.
- اگر فاصله بین دو جسم بیشتر شود، نیروی گرانش به سرعت ضعیف‌تر می‌شود. اگر فاصله دو برابر شود، نیروی گرانش یک‌چهارم می‌شود. اگر فاصله سه برابر شود، نیرو یک‌نهم می‌شود و الی آخر.
تفاوت جرم و وزن: یک اشتباه رایج
خیلی از افراد فکر می‌کنند جرم و وزن یک چیز هستند، اما در علم فیزیک این دو مفهوم کاملاً متفاوت‌اند. درک این تفاوت برای فهم گرانش بسیار مهم است.
| ویژگی | جرم۴ | وزن |
|---|---|---|
| تعریف | مقدار ماده تشکیل‌دهنده یک جسم | نیروی گرانشی که از طرف یک سیاره (مثل زمین) به جرم جسم وارد می‌شود |
| واحد اندازه‌گیری | کیلوگرم (kg) | نیوتن (N) |
| تغییرپذیری | ثابت است و در هر کجای جهان تغییر نمی‌کند | با تغییر شدت گرانش (مثلاً روی ماه یا مریخ) تغییر می‌کند |
| مثال | جرم یک فضانورد روی زمین و ماه یکسان است (80 kg) | وزن همان فضانورد روی زمین 784 N و روی ماه فقط 130 N است |
فرمول محاسبه وزن بسیار ساده است: $W = m \times g$. در این فرمول، $W$ وزن (بر حسب نیوتن)، $m$ جرم (بر حسب کیلوگرم) و $g$ شتاب گرانش سیاره است. شتاب گرانش زمین تقریباً برابر است با $9.8 \ m/s^2$.
انقلاب اینشتین: گرانش چگونه کار می‌کند؟
برای بیش از ۲۰۰ سال، قانون نیوتن به خوبی پدیده‌ها را توضیح می‌داد. اما آلبرت اینشتین در قرن بیستم با نظریه نسبیت عام درک ما از گرانش را کاملاً دگرگون کرد. نیوتن چگونگی عملکرد گرانش را توصیف کرد، اما اینشتین توضیح داد که گرانش اصلاً چیست.
اینشتین گفت گرانش یک نیروی کششی معمولی نیست، بلکه نتیجه خمیدگی فضا-زمان۵ توسط اجسام دارای جرم است. فضا-زمان مانند یک تور کشسان بزرگ است. اگر یک توپ بولینگ سنگین (مثل خورشید) را وسط این تور بگذارید، آن را گود می‌کند. حالا اگر یک تیله (مثل زمین) را نزدیک لبه این گودی رها کنید، تیله در امتداد انحنای ایجاد شده به دور توپ بولینگ می‌چرخد. این "سقوط" در امتداد انحنا، همان چیزی است که ما آن را گرانش می‌نامیم. زمین به دور خورشید نمی‌چرخد، بلکه در امتداد انحنایی که خورشید در تار و پود کیهان ایجاد کرده است، حرکت می‌کند.
این نظریه پیش‌بینی‌های شگفت‌انگیزی داشت که بعدها تأیید شدند، مانند خمش نور ستاره‌ها هنگام عبور از کنار خورشید و وجود سیاه‌چاله‌ها۶ — اجرامی با گرانشی چنان شدید که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد.
گرانش در عمل: از زندگی روزمره تا اکتشافات فضایی
گرانش فقط یک مفهوم علمی انتزاعی نیست؛ نقش حیاتی در جهان اطراف ما بازی می‌کند.
- نگه داشتن ما روی زمین: واضح‌ترین اثر گرانش است که امکان زندگی عادی را فراهم می‌کند.
- جزر و مد اقیانوس‌ها: گرانش ماه و خورشید بر آب‌های زمین کشش وارد می‌کنند و باعث بالا و پایین رفتن سطح آب دریاها می‌شوند.
- مدار سیارات: گرانش خورشید، زمین و سایر سیارات را در مدارهای مشخصی نگه می‌دارد و از برخورد آن‌ها با یکدیگر یا پرتاب شدن به فضای تاریک جلوگیری می‌کند.
- ستاره‌ها و کهکشان‌ها: گرانش گازهای پراکنده در فضا را گرد هم می‌آورد تا ستاره‌ها متولد شوند و کهکشان‌های عظیم را شکل دهد.
- ماهواره‌ها و سفرهای فضایی: برای قرار دادن یک ماهواره در مدار زمین، موشک باید با سرعت بسیار بالا (28,000 km/h) پرواز کند تا بین گرانش زمین (که آن را به پایین می‌کشد) و حرکت افقی آن (که می‌خواهد مستقیم به فضا برود) تعادل ایجاد شود. این حالت سقوط دائمی به دور زمین، همان "مدار" است.
پرسش‌های متداول درباره گرانش
پاسخ: بله، گرانش در فضا وجود دارد. گرانش زمین حتی در ارتفاع ایستگاه فضایی بینالمللی (400 km) حدود ۹۰ درصد قدرت سطح زمین است. دلیل شناوری فضانوردان، سقوط آزاد است. ایستگاه فضایی و هر چیز درون آن با سرعت زیادی در حال سقوط به سوی زمین هستند، اما به دلیل سرعت افقی بسیار بالا، مدام "خط سقوط" آن منحنی می‌شود و زمین را از قلم می‌اندازد. این حالت، حس بی‌وزنی ایجاد می‌کند.
پاسخ: فاجعه بار خواهد بود. ما و همه اشیاء به دلیل حرکت چرخشی زمین مانند سنگ‌های فلینگر به خط مستقیم به فضا پرتاب می‌شویم. جو زمین از بین می‌رود و هوایی برای تنفس باقی نمی‌ماند. زمین نیز از مدار خود خارج شده و در فضای سرد و تاریک رها می‌شود.
پاسخ: بله. بسیاری از حیوانات سازگاری‌های جالبی دارند. مثلاً گربه‌ها می‌توانند در هوا بدن خود را بچرخانند تا همیشه روی پاهایشان فرود بیایند (پدیده‌ای که به "رفلکس فرود گربه" معروف است). پرندگان استخوان‌های توخالی دارند تا با وزن کمتر به راحتی بر گرانش غلبه کنند.
پاورقی
۱ گرانش (Gravity): نیروی جاذبه‌ای که بین تمام اجسام دارای جرم وجود دارد.
۲ قانون جهانی گرانش نیوتن (Newton's Law of Universal Gravitation): قانونی که نیروی گرانش بین دو جسم را بر اساس جرم و فاصله آن‌ها توصیف می‌کند.
۳ نظریه نسبیت عام (General Relativity): نظریه‌ای از آلبرت اینشتین که گرانش را نه به عنوان یک نیرو، بلکه به عنوان نتیجه انحنای فضا-زمان توسط جرم توصیف می‌کند.
۴ جرم (Mass): مقدار ماده تشکیل‌دهنده یک جسم. یک کمیت اسکالر که بر حسب کیلوگرم اندازه‌گیری می‌شود.
۵ فضا-زمان (Spacetime): ساختار چهاربعدی که سه بعد فضا (طول، عرض، ارتفاع) و یک بعد زمان را در هم می‌آمیزد.
۶ سیاه‌چاله (Black Hole): ناحیه‌ای در فضا با گرانشی چنان شدید که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از میدان گرانش آن بگریزد.