🙌🏾 ☔️ 🙅🏻 اسأل إيثان رقم 11: لماذا تنخفض الجاذبية مع المسافة؟ 👩‍💼 ❓ 🍮

جسم غريب يتكون من نجم ثقيل صغير يدور بسرعة 25 مرة في الثانية ، يدور حوله قزم أبيض لمدة ساعتين ونصف (من وجهة نظر الفنان). هذا هو النجم النابض PSR J0348 + 0432 ، الذي ينبعث منه موجات الجاذبية. وعلى الرغم من أنه لا يمكن قياسها مباشرة من الأرض ، فمن الممكن قياس التغيرات في المدار المرتبطة بفقدان الطاقة بواسطة النظام.

لن أتعرف على الزمان والمكان أو فشل في قلب النقل عن بعد ، حتى لو زحفوا إلى سريري.
- باتريك ستيوارت

يسأل القارئ:

لماذا تنخفض الجاذبية مع المسافة من الجسم؟ قرأت أنه ينقص وفقا لقانون المربعات العكسية ، ولكن بدون تفسير لماذا.

السؤال بسيط ، ولكن مطلوب إجابة شاملة.

لا تتعامل الفيزياء والعلوم ككل عادةً مع مسألة "لماذا" فيما يتعلق بالظواهر الطبيعية - عادةً ما تتم دراسة "كيف" فقط. قدم نظرية ومجموعة من القوانين والأشياء المادية بخصائص معينة - وسيخبرك العلم كيف سيتصرفون داخل النظرية. لذلك مع الجاذبية.

لقرون ، كانت الجاذبية النيوتونية أنجح نظرية تصف القوى التي تعمل على نطاق واسع. قالت إن كل أجسام الكون التي لها كتلة تجذب كل الأجسام الضخمة الأخرى. وقوة الجذب تتناسب مع كتلة الجسمين وتتناسب عكسياً مع المسافة بينهما.

من السهل إلى حد ما حساب هذا القانون على أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، وملاءمة النظرية للملاحظات ممتازة.

لكن هل يمكنك قول أي شيء ذكي عن سبب عمل الجاذبية بهذه الطريقة؟ تأمل أقرب جيراننا في الفضاء.

حول الشمس ، أكبر كتلة في نظامنا ، جميع الأجسام الأخرى ، من الكواكب إلى الكويكبات والمذنبات ، تطير في دوائر وعلامات حذف. من المثير للاهتمام أن الدوائر وعلامات الحذف عبارة عن مدارات مغلقة ثابتة - تعود هذه الأشياء في كل مرة إلى نفس النقطة ، بعد مرور فترة زمنية ، والتي نسميها العام.

هذا في حد ذاته من وجهة نظر الرياضيات أمر مثير للاهتمام. القوى هي ناقلات ؛ لها الحجم والاتجاه. في النظام الشمسي ، يتم توجيه القوى المؤثرة على الأشياء نحو مركز الشمس. إذا كنت بحاجة إلى شيء لتطير حول الشمس في مدار مغلق ، فلديك خياران فقط.

إما أنك تحتاج إلى قوة تخضع لقانون المربعات العكسية (الجاذبية) ، أو قوة تزداد خطياً مع المسافة (الربيع). هناك نظرية تبرهن على أنه إلى جانب هذين الاحتمالين ، لا يوجد غيرها.

لذلك ، يمكن أن تزيد أو تنقص مع المسافة ، ولكن بطريقة واحدة فقط ، وإلا فلن يكون لدينا مدارات مغلقة مستقرة.

وبما أن هذه المدارات بالتحديد هي التي تكون ضرورية لدرجات حرارة مستقرة ومعتدلة يمكن أن توجد فيها الحياة ، فنحن محظوظون حقًا لأن الكون يعمل وفقًا لهذه القوانين.

هناك قوى تزداد مع المسافة - على سبيل المثال ، تفاعل قوي. بل هناك مثال لقوة ليس لها اتجاه وهي طاقة مظلمة ثابتة.

لكن قانون المربعات العكسية ليس كل ما يمكن قوله عن الجاذبية. علاوة على ذلك ، نظرًا لوجود مدار مفتوح في نظامنا ، نحتاج إلى استبدال الجاذبية النيوتونية بنظرية عامة أكثر حداثة للنسبية.

يمر مدار عطارد بزمام المبادرة ولا يغلق نفسه. كان هذا هو الجرس الأول الذي يشير إلى خلل في نظرية نيوتن. تم إنفاق نصف قرن على حل هذه المشكلة وظهور الموارد الوراثية. وأدركنا أن الجاذبية لا تتبع بالضبط قانون المربعات العكسية - وهذا فقط تقريب صالح للمسافات الكبيرة والكتل الصغيرة والطاقات.

لدينا مجموعة من التنبؤات الجديدة ، تؤكدها التجارب ، بما في ذلك العدسة الجاذبية للضوء ، والميكانيكا الأخرى للأجسام الضخمة التي تدور حول مسافات قصيرة ، والانزياح الأحمر الثقالي ، وأكثر من ذلك بكثير.

لكن الاستنتاج الرئيسي هو أن الأجسام تتحرك في المدارات ، بشكل دقيق ، لا تطيع قانون المربعات المعكوسة.

جميع المدارات ، وفقًا للنسبية العامة ، تولد من قوى أقوى قليلاً من قانون المربعات العكسية ، لذلك تنخفض بمرور الوقت. الكواكب الداخلية هي الأولى التي تغادر مداراتها ، تليها عوالم أبعد ، لأن المسافة إليها أكبر. في النهاية ، في غياب قوى أخرى ، سيأتي كل شيء بشكل حلزوني إلى مركز ثقل النظام.
scienceblogs.com/startswithabang/files/2013/11/white-dwarf-stars-death-dance_37620_600x450.jpeg

إذا كانت الأرض تدور حول الشمس الحية التي لا نهاية لها ، فسيستغرق 10 ¹⁵⁰ سنة لتتلاشى المدار تمامًا. المدارات المستقرة والمغلقة حقًا في الكون ببساطة لا وجود لها.

على الأقل وفقًا لـ GTR - أفضل نظرية تصف حاليًا الجاذبية. بالنسبة للكتل الصغيرة والمسافات الكبيرة ، تتحول إلى نظرية نيوتن الكلاسيكية.

ولكن لماذا تتحكم GTR في الجاذبية في الكون بهذه الطريقة بالضبط؟ لا أحد يستطيع أن يقول على وجه اليقين.

لذلك ، يجب أن تكون راضيًا عن الإجابة القياسية: تعمل الجاذبية بهذه الطريقة ، لأن قوانين الطبيعة مرتبة للغاية. من الممكن تخيل الكون بقوانين أخرى - لكننا حصلنا على مثل هذا القانون ، ولا نفهم حقًا لماذا يتم ترتيب القوانين بهذه الطريقة. يمكننا إبداء الملاحظات واستنباط القوانين والتحقق منها - وربما نفهم يومًا ما سبب ذلك.

اسأل إيثان رقم 11: لماذا تنخفض الجاذبية مع المسافة؟

More articles: