گرانش چیست؟

مجله علمی ایلیاد - گرانش یکی از چهار نیروی بنیادی در جهان است. سه نیروی بنیادی دیگر عبارت‌اند از الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف. هر چند وجود گرانش دلیل باقی ماندن انسان بر روی زمین و به پرواز در نیامدن آن در آسمان است، ولی هنوز هم این نیرو به طور کامل شناخته شده نیست.

دانشمندان باستانی تعاریف خود را برای دلیل سقوط اجسام بر روی زمین داشتند. ارسطو اعتقاد داشت که اجسام به صورت عام تمایل دارند که به سمت مرکز کیهان حرکت کنند و بر اساس اعتقاد دانشمندان آن دوران، مرکز زمین مرکز کیهان نیز محسوب می‌شده است. با این حال بعدها این تصور که زمین مرکز کیهان است کنار گذاشته شد. کوپرنیک لهستانی این ایده را مطرح کرد که خورشید مرکز منظومه‌ی شمسی است. نیوتن نظریه‌ی کوپرنیک را بسط داد و گفت که خورشید بر روی سیاره‌ها تاثیر دارد و همچنین این ایده را مطرح کرد که همه‌ی اجسام نیروی جاذبه‌ای بر روی یکدیگر اعمال می‌کنند. به این ترتیب، وی قانون گرانش را فرمول‌بندی کرد (F_g=G(m₁.m₂)/r²).
در این فرمول F_g نیروی گرانش است، m₁ و m₂ جرم دو جسمی است که بر روی یکدیگر نیروی گرانش وارد می‌کنند و r فاصله‌ی این دو جسم از یکدیگر است. G نیز ثابت گرانش است که به اعتقاد نیوتن باید از طریق انجام آزمایش‌های مختلف محاسبه می‌شد.

گرانش ضعیف‌ترین نیروی بنیادی است. یک آهن‌ربای معمولی می‌تواند جسمی آهنی را از زمین بلند کند و در واقع بر نیروی گرانش غلبه کند. محاسبات دانشمندان نشان داده است که نیروی گرانش به اندازه‌ی ۱۰^۴۰ بار از نیروی الکترومغناطیس ضعیف‌تر است.

اثر گرانش را می‌توان در مقیاس اجرامی مانند سیارات، ستاره‌ها و کهکشان‌ها مشاهده کرد، ولی نیروی گرانش بین اجسامی که در اطراف ما هستند را با سختی فراوان می‌توان محاسبه کرد. در سال ۱۷۹۸ فیزیکدان بریتانیایی «هنری کاوندیش» یکی از اولین آزمایش‌های دقیق برای اندازه‌گیری ثابت گرانش را تدارک دید. عددی که وی برای ثابت گرانش محاسبه کرد حدود ۱ درصد با محاسبات عصر مدرن تفاوت داشته است.

«آلبرت اینشتین» انقلاب جدیدی را در درک ما از گرانش به‌وجود آورد. تئوری نسبیت عام اینشتین نشان داده است که گرانش از انحنای فضا-زمان به‌وجود می‌آید. به این معنی که حتی اشعه‌های نور نیز که باید این انحنا را دنبال کنند توسط اجرام بسیار سنگین خم می‌شوند. از تئوری‌های اینشتین برای اثبات وجود سیاه‌چاله استفاده می‌شود. به گفته‌ی اینشتین اگر سیاه‌چاله وجود نداشته باشد، قوانین گرانش نیوتن نمی‌توانند با دقت حرکات اجرام آسمانی را پیش‌بینی کنند. از آن زمان تا کنون ستاره‌شناسان وجود سیاه‌چاله‌ها را به وضوح اثبات کرده‌اند و حتی توانسته‌اند تصویری از سیاه‌چاله‌ی مرکزی کهکشان M87 تهیه کنند.

به کار بردن قوانین گرانش بر روی اجسام فوق سبکی مانند انسان و سلول و اتم‌های آن چیزی است که تا کنون مورد مطالعه قرار نگرفته است. با این حال دانشمندان اذعان دارند که حتی این اجرام نیز طبق قانون گرانش همدیگر را جذب می‌کنند، ولی به علت ضعف شدید این نیرو نمی‌توان آن‌را محاسبه کرد.

گرانش به طرق دیگر نیز دانشمندان را حیران کرده است. مدل استاندارد فیزیک ذرات که در واقع فعالیت‌های همه‌ی ذرات و نیروهای شناخته شده را شرح می‌دهد، از گرانش صرف نظر کرده است. هر چند نور به کمک ذره‌ای به نام فوتون حمل می‌شود، دانشمندان حدس می‌زنند که شاید بتوانند این ذره را معادل گرانش در نظر بگیرند.

وارد کردن گرانش به درون چارچوب تئوریک مکانیک کوانتوم به عنوان مهم‌ترین کشف قرن بیستم نیز موضوعی است که هنوز به سرانجام نرسیده است. تئوری مطرح در این زمینه «تئوری همه چیز» است که توضیح بسیار مشکلی دارد.

علی‌رغم همه‌ی ناشناختگی‌های گرانش، از این نیرو برای کشف ناشناخته‌های زیادی استفاده شده است. دانشمندان در سال‌های ۱۹۶۰ تا ۱۹۷۰ نشان داده‌اند که ستاره‌های موجود در لبه‌ی بیرونی کهکشان‌ها با سرعتی فراتر از انتظار می‌گردند و این موضوع از طریق در نظر گرفتن گرانش باعث شناخت ماده‌ی تاریک شد.