جاذبه، نیرویی‌که همه‌چیز‌ را به سمت زمین می‌کشد

در یکی از شب‌های سال 1666 میلادی جوان 23 ساله‌ای که در باغ خانه دوران کودکی‌اش در وولس‌تورپ انگلیس در کناری نشسته بود، محو ماه درخشان در گوشه‌ای از آسمان شده بود. در همین حال سقوط سیبی از درخت بر زمین، توجه او را به خود جلب کرد. پرسشی که در همان لحظه به ذهن این جوان خطور کرد چنین بود: آیا نیرویی جهانی وجود دارد که حرکت ماه در آسمان و سقوط سیب به سوی زمین را بتوان با استفاده از آن توضیح داد؟

این جوان البته کسی نبود جز ایزاک نیوتن و نیروی جهانی مورد نظرش نیز جاذبه بود. 2000 سال پیش از تولد نیوتن، فلاسفه یونانی بر این باور بودند که براساس یک نیروی خاکی (زمینی) اجرام به سمت مکان طبیعی‌شان یعنی زمین جذب می‌شوند. اما تصور نیوتن از جاذبه به مکانی فراتر از زمین می‌رسد؛ جایی که در آن قوانین حاکم بر زمین و آسمان‌ها با یکدیگر متحد می‌شوند. نیوتن این عقیده را مطرح کرد که اشیا به این دلیل به سوی زمین سقوط می‌کنند که کشش متقابلی میان آنها و زمین وجود دارد و دقیقا بر مبنای همین اصل است که تمامی اشیایی که در گوشه و کنار عالم قرار دارند، دارای جرم هستند. نیوتن همچنین نخستین شخصی بود که با استفاده از ریاضیات، کمیت نیروی جاذبه را اندازه‌گیری کرد. وی پایه‌گذار اصولی بود که آلبرت اینشتین با استفاده از آنها نظریه نسبیت را ارائه کرد و این نظریه در دنیای امروز مبنای بسیاری از فناوری‌های نوین به شمار می‌آید.

جاذبه یکی از 4 نیروی طبیعی بنیادینی است که بر تمام عالم فیزیکی حاکم هستند.
3 نیروی دیگر نیروهای قوی و ضعیف هستند که بر دنیای ذرات در حد اتم حاکمیت دارند و در نهایت نیروی لکترومغناطیس که منشأ اصلی دفع و جذب ذرات باردار به شمار می‌آید. اما هنوز انبوهی از نکات درباره جاذبه وجود دارد که ما شناختی از آنها نداریم که از آن جمله می‌توان به چگونگی رابطه آن با نظریه «هر چیز» که پل ارتباطی هر چهار نیروی یاد شده است، اشاره کرد.

درک نیوتن از جاذبه به عنوان یک نیروی کششی میان اشیای مختلف در تضاد آشکار با نظریه‌هایی است که آریستوتل، فیلسوف معروف یونانی (که در سال 384 پیش از میلاد مسیح به دنیا آمد) مطرح کرده بود. در دنیای آریستوتل، 4 عنصر ماده خاکی را تشکیل می‌دادند: زمین، آب، هوا و آتش. زمین در مرکز این 4 عنصر قرار داشت، چون از همه سنگین‌تر بود. حوزه‌های آبی و سپس هوا و در نهایت آتش رده‌بندی‌ای بودند که از سوی وی مطرح شده بود. حرکت روی زمین به معنای بازگشت این عناصر به جایگاه طبیعی‌شان تعریف می‌شد. به عنوان مثال شعله‌های آتش از زمین فاصله گرفته و به قلمرو خود می‌رفتند. از سوی دیگر یک تکه سنگ پس از پرتاب به سوی زمین سقوط می‌کرد، زیرا در جستجوی مرکزیت زمین بود. نظریه آریستوتل درباره مکان طبیعی و حرکت، تفکرات شکل گرفته در اروپا را برای حدود 2000 سال تحت‌تأثیر قرار داده بود.

در حد فاصل قرون 14 تا 17 میلادی نظریه‌های دوران رنسانس از مشاهدات و محاسبات شکل گرفته بر مبنای ریاضی حمایت می‌کردند و به این ترتیب آنها جایگزین تصورات کلاسیک مربوط به عالم شدند. یوهانس کپلر، اخترشناس آلمانی تأثیر قابل توجهی در این دوران داشت. وی عقیده داشت که خورشید نیرویی را بر سیارات اعمال می‌کند.

این نیرو که وی آن را در 3 قانون حرکت سیاره‌ای خود مطرح کرده است، سرعت چرخش سیارات به دور خورشید را کنترل می‌کند و قدرت آن نیز متناسب با فاصله بین خورشید و هر یک از سیارات است.

گالیله، ریاضیدان، اخترشناس و فیلسوف ایتالیایی نخستین شخصی بود که مدارکی درباره چرخش اجرام آسمانی به دور خورشید به دست آورد. کمی پس از سال 1660 وی آزمایش‌های مهمی را در این زمینه آغاز کرد و مطالعاتی درخصوص جاذبه انجام داد، حال آن‌که او خود نمی‌دانست در حال مطالعه درباره جاذبه است. نتایج مطالعات گالیله یکی از اصلی‌ترین ارزیابی‌های آریستوتل را زیر سوال می‌برد: اجرام سنگین‌تر در مقایسه با اجرام سبک‌تر با سرعت بیشتر به سمت زمین سقوط می‌کنند.

گالیله ثابت کرد که در محیط خلأ سرعت سقوط اجرام سبک و سنگین به یک اندازه است. اما در محیط خارج از خلأ چرا پر در مقایسه با سنگ آرام‌تر سقوط می‌کند؟ به نظر گالیله این تفاوت سرعت به مقاومت هوا در برابر پر مربوط می‌شود. وی همچنین به این تشخیص رسیده بود که اجسام در حال سقوط با نرخ ثابتی شتاب بیشتری پیدا می‌کنند که ما امروز آن را g می‌نامیم. گالیله دستاوردهای ارزشمندی در زمینه جاذبه و سقوط اجسام در زمین داشته است. او با دقت خیره‌کننده‌ای محاسبه کرد که سرعت سقوط اجسام در زمین به‌طور میانگین 8‌/‌9 متر بر مجذور ثانیه است. این همان عددی بود که نیوتن حدود نیم قرن بعد در ارائه قانون دوم معروف خود به کار گرفت.

20 سال پس از سقوط تاریخی آن سیب، نیوتن شروع به انتشار شاهکار علمی 3 قسمتی خود کرد. وی در اصولی که مطرح کرد توضیح داد که تمامی اشیا به‌وسیله نیرویی که از آن به جاذبه یاد می‌شود به سوی یکدیگر کشیده می‌شوند. قانون جهانی جاذبه وی بیان می‌کند که نیروی جاذبه با جرم هر دو شیئی که به سمت یکدیگر کشیده می‌شوند، متناسب است و در عین حال با مجذور فاصله میان آنها رابطه عکس دارد. (البته کپلر معتقد بود این نیرو با فاصله میان 2 شیء رابطه مستقیمی دارد).

نیوتن همچنین 3 قانون خود را درباره حرکت مطرح کرد. اما قانون دوم وی درباره همان چیزی است که از سوی گالیله و تحت عنوان g ارائه شده است. نیوتن متقاعد شده بود که قانون مورد نظرش درخصوص همه چیز از جمله سیب، ماه و کل عالم صدق می‌کند و ربطی به قابل رؤیت نبودن برای چشم غیرمسلح ندارد. به عنوان مثال
2 تکه‌سنگ کوچک به سوی یکدیگر کشیده می‌شوند اما از آنجاکه جرم توده آنها  قابل توجه است، نیروی کشش میان آنها به چشم نمی‌آید. اما نیرویی که موجب کشیده شدن سنگ به سوی زمین می‌شود کاملا مشهود است، زیرا جرم توده زمین بسیار بیشتر از جرم توده سنگ است.

دنیا با حرف‌های تازه‌ای روبه‌رو شده بود و به این ترتیب سراسر عالم به 2 بخش زمینی و سماوی تقسیم می‌شد و در عین حال دیوار تئوری‌ها میان زمین و کیهان به هم می‌ریخت. اما نیروی جاذبه جهانی چندان هم با حرف و حدیث همراه نبود. در آن زمان بسیاری از صاحب‌نظران نسبت به تأثیر‌گذاری متافیزیکی نیرویی غیرقابل رؤیت در یک فاصله مشخص نظر مساعدی نداشتند. از نظر آنها نیروی جاذبه بیشتر به جادو یا نیرویی اسرارآمیز شباهت داشت.

در قرن 19 میلادی از دل محاسبات انجام شده بر مبنای قانون نیوتن پیش‌بینی حیرت‌انگیزی به دست آمد: سیاره‌ای وجود دارد که نیروی جاذبه‌ای بر اورانوس اعمال می‌کند.
در سال 1846 یوهان گاتفراید، اخترشناس آلمانی این سیاره را که چیزی جز نپتون نبود، کشف کرد. این سیاره در نقطه‌ای از منظومه شمسی نزدیک به محل پیش‌بینی شده قرار داشت. با این کشف تاریخی نظریه جاذبه جهانی از ارزش و اهمیت بسیار بیشتری برخوردار شد. در حقیقت کلیت جاذبه را نمی‌توان مستقیما ثابت کرد اما به اندازه کافی و طی آزمایش‌ها و دستاوردهای متقاعدکننده، ثابت شده که از نظر همگان پذیرفتنی است.

البته باید اذعان کرد زمانی که درباره اجرام بسیار غول پیکر با میدان‌های جاذبه‌ای قدرتمند نظیر خورشید یا اجرامی که تقریبا سرعتی همچون نور دارند صحبت می‌کنیم، قانون نیوتن خیلی هم کامل به نظر نمی‌رسد. جاذبه، نیرویی جهانی است اما به نظر می‌رسد نسبی نیز باشد. یکی از نخستین نکاتی که درخصوص نظریه وی باید با اصلاحاتی همراه شود به اواسط قرن 19 میلادی مربوط می‌شود؛ زمانی که وریر، ریاضیدان فرانسوی بی‌نظمی‌هایی را در مدار حرکتی عطارد مورد مطالعه قرار داد. نیوتن پیش‌بینی کرده بود سیارات بر مدار بیضی‌شکل دقیقی به دور خورشید در حرکت هستند اما مطالعات وریر نشان داد مدار سیارات در هر بار چرخش به دور خورشید با تغییرات جزئی همراه است که علت اصلی آن نیز نیروی کشش ناشی از دیگر سیارات منظومه شمسی است. این تغییر در نزدیک‌ترین فاصله میان سیارات با خورشید اندازه‌گیری می‌شود که در علم اخترشناسی به آن حضیض می‌گویند. با استفاده از فرمول‌هایی که برگرفته از برخی قوانین ابتدایی نیوتن هستند، فیزیکدانان قادر بوده‌اند تا نه تنها پیشرفت حضیض هر یک از سیارات را با ضریب دقت بالایی پیش‌بینی کنند که تأثیرگذاری سایر سیارات بر آن را نیز مورد مطالعه و اندازه‌گیری دقیق قرار دهند. اما عطارد که نزدیک‌ترین سیاره به خورشید است از این مدل تبعیت نمی‌کند.

پیشرفت حضیض واقعی عطارد اندکی از پیش‌بینی اخترشناسان فراتر بوده است. آنها بر این فرض بودند که وجود سیاره‌ای کشف نشده به نام Vulcan روزی علت اصلی این عدم پیروی را مشخص خواهد کرد. این سیاره هیچ‌گاه شناسایی نشد. 60 سال پس از آن دوران یعنی در سال 1915 آلبرت اینشتین موفق شد تا رفتار عجیب و انحراف حرکتی آن را در اطراف خورشید توضیح دهد. او این کار را با اعمال اصلاحاتی در نظریه نیوتن انجام داد.

در نظریه عمومی نسبیت اینشتین جاذبه به خودی خود یک نیرو نیست. در حقیقت جاذبه نتیجه فعالیت ماده در زمان و فضاست، جایی که فضای سه‌بعدی با زمان در هم آمیخته می‌شود. نظریه نسبیت عمومی بیان می‌کند که تمامی اشیا در فضا و زمانی که آنها را احاطه کرده است، دارای انحراف حرکتی هستند. هرچه شیء بزرگ‌تر باشد این انحراف حرکتی بیشتر است. برای درک بهتر این موضوع صفحه پلاستیکی بزرگی را در ذهن تصور کنید. زمانی که توپ تنیس در عرض آن حرکت می‌کند تمایل درونی به حرکت در مسیر مستقیم دارد اما اگر توپ سنگین بولینگ بر روی صفحه پلاستیکی قرار داشته باشد موجب می‌شود تا توپ تنیس به سمت پایین منحرف شده و سپس مسیر خود را به سمت بالا ادامه دهد. فرد بیننده ممکن است تصور کند 2 توپ به سمت یکدیگر کشیده می‌شوند اما در واقعیت این حرکت نتیجه انحرافی است که در فضا و زمان روی داده است. بر اساس نظریه اینشتین سیارات منظومه شمسی بر مبنای نیروی جاذبه به سوی خورشید کشیده نمی‌شوند اما حرکت منحنی را در فضا و زمان و بر مبنای مثال یاد شده به گرد خورشید دنبال می‌کنند. نظریه وی پیش‌بینی می‌کند که فضا و زمان در نزدیکی خورشید در هم پیچیده ‌می‌شود.

در حدود 2 هزار سال مردم فکر می‌کردند چون اجسام در جستجوی رسیدن به مکان طبیعی‌شان یعنی زمین هستند، سقوط می‌کنند اما اکنون مفهوم دیگری از جاذبه مورد پذیرش عموم است. البته دستیابی به این مفهوم نوین همانند کنار هم قرار دادن قطعات گم‌شده پازلی بزرگ در گذر دوران بوده است.

زهرا شفاعت

منابع: Science Illustrated

popular science