ماهي قوة الجاذبية؟

ماهي , الجاذبية؟

بقلم حمدي الراشدي


ماهي قوة الجاذبية؟


في عام 1666 كان الطاعون يجتاح انكلترا، لهذا السبب كان الطالب الشاب Isaac Newton مضطرا للهرب من كامبريديج حيث كان يدرس الى منزل طفولته في قريته Woolsthorpe Manor, حيث يرى كيف ان تفاحة تسقط فجأة من شجرة التفاح.

هذه الملاحظة البسيطة كان لها تتداعيات هائلة في مجال علم الفيزياء. هذه الحادثة حفزتالرغبة في تفسيرها لدى الشاب، ليصل الى استقراء وجود قوة بين التفاحة على الشجرة وبين الكرة الارضية. لم يكتفي الطالب بذلك، بل اشار الى ان القوة نفسها تؤثر على كل شئ وحتى على القمر ، بحيث تجبره على البقاء في مساره الدائري حول الارض، كنتيجة لتعادل قوى جاذبية الطرفين.

اسحاق نيوتن اصبح مشهورا والقوة التي اشار اليها اصبح اسمها قوة الجاذبية. وعلى الرغم من ان الجاذبية هي دعامة الحياة الاساسية، الا انها واحدة من اربعة قوى طبيعية رئيسية. القوى الاخرى هي: الكهرومغناطيسية، والقوة الذرية القوية والقوة الذرية الضعيفة. العلماء يجهلون الكثير عن قوة الجاذبية، بالذات لكونها ضعيفة للغاية. نلاحظ كيف انه من السهل ان نرفع الكأس عن المنضدة، على الرغم من وجود كوكب بكامله تحت الكأسـ تقوم بجذب الكأس اليها. وبالذات لكون قوة الجاذبية ضعيفة للغاية، نحتاج الى اجسام كونية لتتمكن اجهزتنا من قياس الجاذبية بدقة. هذا الامر هو الذي يجعلنا لانعرف الكثير عن قوة الجاذبية، ويزيد الامور سوء ان الفلكيين لاحظوا خلال بضعة السنوات الاخيرة ، مجموعة من ظواهر الجاذبية المجهولة سابقا والتي تبشر بإضافات جديدة لقوانين الجاذبية.

نيوتن قام عام 1687 بصياغة نظريته عن قوة الجاذبية في كتابه " فلسفة مبادئ الطبيعة الرياضية"، (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), وعادة يطلق عليها " المبادئ" فقط. في هذا الكتاب اشار الى ان جميع الاجسام تنجذب الى بعضها البعض بقوة، مقدار هذه القوة مرتبط بكثافة الاجسام والمسافة بينهم. مثلا حجرين ينجذبان الى بعضهم، ولكن لصغر حجمهم لانشعر بالقوة التي تجذبهم. على العكس نجد ان قوة الجذب بين الحجر والكرة الارضية ملاحظ، بسبب الحجم الكبير للكرة الارضية. وحتى في الفضاء نجد ان مبدأ العلاقة بين الاجسام هو السائد. مثلا نجد ان قوة الجاذبية هي التي تجعل القمر يدور حول الارض، بدون ان يسقط على الارض او يبتعد عنها. ذات المبدأ يجعل الحجر الذي نقذفه من قمة الجبل يأخذ مسيارا مقوسا ليصبح خطاً مستقيما بإتجاه مركز الارض، تماما كما ان القمر خاضع لذات القوى ليبقى في مدار حول الارض. إذا قذفنا الحجر عن الارض بقوة كافية فإن الحجر ايضا سيصل الى مدار حول الارض. الامر نفسه يتعلق بالارض والكواكب التي واقعة في مدار حول الشمس، بفضل قوة جاذبية الكواكب والشمس.

نيوتن فهم قوة الجاذبية على انها قوة تجذب اليها، على العكس من الفيلسوف الاغريقي اريسطوطاليس الذي فهم الامر على ان الحجر يسقط على الارض بسبب قوة جاذبية السطح. بمعنى ان الحجر يبحث عن الالتحام مع منبعه الطبيعي. حسب فهم اريسطوطاليس، ينقسم العالم الى قسمين: الارض والسماء، وهي ذات النظرة التي ورثتها الاديان عنه. القسم الارضي يبدا من الكرة الارضية الثابتة في مركز الكون وينتهي عند القمر الذي يدور عند حدود كرة السماء. القسم السماوي يبدا من عند القمر والباقي من السماء.


نظرة اريسطوطاليس نراها مستمرة في التراث الديني الاسلامي حتى القرن العشرين، حسب الصورة اعلاه، والمأخوذة عن كتاب " هداية الحيران في مسألة دوران الارض" للشيخ عبد الكريم بن صالح الحميد. للمزيد عن الموضوع اضغط هنا

حسب فلسفة اريسطوطاليس كل شيئ يبحث عن الالتحام بمصدره الطبيعي. مثلا نجد ان النار تصعد الى الاعلى لانها تسعى للالتحام بمصدرها الطبيعي قرب القبة السماوية، والحجر يسقط على الارض لانه يسعى الى مصدره الارضي.
نظرية اريسطوطاليس بقيت " صحيحة" حتى جاء العالم جاليلو جاليليه Galileo Galilei, الذي قام بإجراء العديد من الاختبارات على مواد مختلفة جعلها تسقط سقوط حر، حوالي عام 1600. النتائج التي استخلصها ان جميع الاجسام تسقط بنفس السرعة ويتزايد تسارعها بقيمة ثابت (غ). اكتشافات جاليلو وضعت الاساس لنظرية نيوتن بعد نصف قرن لاحق.

عام 1687، عندما قام نيوتن بنشر نظريته، اصر على تسميتها " القانون العام للجاذبية"، على الرغم من ان ملاحظاتها اقتصرت على القمر والكواكب. نيوتن كان متاكد ان هذا القانون يشمل الكون بأسره. يقول:" الخصائص التي لاتقوى او تضعف، والموجودة لدى جميع الاجسام في مجال معرفتنا، لابد من إعتبارها موجودة لدى جميع الاجسام على العموم". عند العديدين كانت هذه المقولة مرفوضة، إذ انها تشبه الوصاية الدينية والتي تتحكم بخلق القوى المقدسة، غير ان نيوتن اشار الى العديد من الظواهر الطبيعية التي يمكن تفسيرها بإستخدام النظرية. الزمن ايضا اظهر ان نظرية نيوتن كانت فعلا عامة.

وعلى الرغم من ان قانون نيوتن كان عام، الا انه لم يكن كامل. القانون لم يكن دقيق عندما تصبح الجاذبية قوية للغاية او عندما تصل سرعة الجسم الى سرعة الضوء 300000 كيلومتر في الثانية. إضافة الى ذلك فإن الفلكي Urbain le Verrier, لاحظ في منتصف القرن الثامن عشر ان كوكب الزهرة ينحرف مداره قليلا عما تفترضه نظرية نيوتن.

فقط بفضل نظرية النسبية العامة العبقرية لاينشتاين، والتي ظهرت عام 1915، اصبح بالامكان تفسير انحراف مدار كوكب الزهرة، وهو تصحيح ضروري فقط في حقول الجاذبية القوية. حسب نظرية النسبية العامة، فإن الجاذبية ليست قوة، كما اشار نيوتن، وانما خاصية من خصائص المكان. نظرية النسبية تقول ان الاجسام الكونية، مثل الكواكب والشموس، تقوم بحني الزمكان المحيظ بها. الزمكان هو الابعاد الثلاثة إضافة للزمن. يمكن تمثيل الامر من خلال تصور غشاء من المطاط الطري والمشدود. عندما تتدحرج كرة على هذا الغشاء تاخذ طريقا مستقيماً، ولكن إذا صادف وجود كرة اخرى ضاغطة بثقلها على سطح الغشاء المطاطي فإن الكرة الاولى ستتوجه الى الانحناء وتهبط في الحفرة المحيطة بالكرة الثانية لتخرج ثانية في إتجاه اخر. الناظر سيرى وكان الكرتين جذبوا بعضهم البعض، في حين ان الحقيقة هي ان " انجذابهم" هو نتيجة انبعاج الزمكان حول احدى الكرتين.

إذن، وحسب نظرية اينشتاين، فغن الكواكب لاتتأثر بقوة جذب صادرة عن الشمس، وانما تتبع الانحناءات الموجودة في الزمكان حول الشمس. هذه النظرية جرى اختبارها من قبل القمر الصناعي Gravity Probe B, والذي قام بقياس الانحاء في الزمكان حول الارض. النتائج النهائية ستكون جاهزة عام 2010، ولكن النتائج الاولية تشير الى ان اينشتاين على حق. (لقراءة تفاصيل النتائج الاولية اضغط هنا). بهذا الشكل يظهر بوضوح ان ايشتاين قام بتحسين موديل نيوتن، بحيث اصبح يشمل الاجسام الكونية ايضا.

على العكس اشار اينشتاين بوضوح الى ان نظريته غير صالحة للاجسام على المستوى الذري والجزيئات الذرية، حيث حقل الجاذبية صغير للغاية. للوصول الى اعلى احتمال هنا، نحتاج الى تعديل على المعادلة. الحاجة الى هذا التعديل جرى تأكيده من قبل جانب كبير من الاختصاصيين، وعلى مدى عشرات السنوات من خلال ملاحظاتهم سلوكيات غريبة لاجسام تحت تأثير الجاذبية في الفضاء الخارجي.

في المرة الاولى التي اصطدم فيها الخبراء بهذه الظاهرة كان في سبعينات القرن الماضي، عندما بدأ عالم فيزياء الكون الامريكي John D Anderson, في تحليل مدارات القمرين الصناعيين Pioneer 10&11. القمرين الصناعيين اللذان يقومان بمراقبة الاقسام العليا من المجموعة الشمسية، يتحركان ببطء اكثر مماينبغي، الامر الذي يعطي الانطباع وكان هناك قوة تقوم بالتأثير عليهم وكبح سرعتهم.

هذه الظاهرة اللغز تأكدت بملاحظات ودراسات لمجموعات اخرى لأقمار صناعية حول الارض في طريقها الى الفضاء الخارجي. من الطبيعي ان تقوم الاقمار الصناعية بالدوران حول الارض اولا من اجل الانطلاق لاحقا الى الفضاء الخارجي، إذ ان ذلك يهدف الى استغلال قوة الجاذبية من اجل رفع السرعة. غير ان التجربة اظهرت ان السرعة إزدادت، في خمسة حالات من ستة، الى مستوى اعلى مما هو متوقع. القمر الصناعي الوحيد الذي لم تزداد سرعته كالبقية هو Messenger, غير ان سبب ذلك، على الاغلب، في كونه القمر الوحيد الذي كان يملك مدارا متناظرا تقريبا حول خط الاستواء. في حين نجد ان القياسات تشير الى ان القمر الصناعي NEAR, زادت سرعته 13 ميليمتر في الثانية بالمقارنة مع السرعة المتوقعة. وعلى الرغم من ان هذه الزيادة تشكل واحد من مليون من السرعة الكلية للقمر، فلايوجد اي شك لدى العلماء ان هناك تأثير فعلي، من حيث ان دقة ادوات القياس تصل الى 0,1 ميليمتر في الثانية.

النتائج تثير البلبلة بين العلماء. ماهي القوة التي تكبح القمرين الصناعيين بيونير، وماهي القوة التي تزيد من سرعة الاقمار الاخرى؟

في العديد من مناطق الكون الاخرى يوجد مايتعارض مع ماتوصلنا اليه بشأن الجاذبية. منذ سبعينات القرن الماضي، والعلماء يعَوون ان حركة الاطراف الخارجية للمجرات لاتتوافق تماما مع نظرية الجاذبية. حسب ديناميك نيوتن، يجب على النجوم الموجودة في المجرات ان تدور في مدارات اهليجية وان تنخفض سرعتها كلما ازدادت المسافة الى المركز. غير ان الواقع ليس كذلك. عوضا عن ان تنخفض السرعة نجد ان السرعة ثابتة لاتتغير في اغلب اجزاء المجرة. كبداية انطلق الفلكيين من ان المجرات لابد انها تحتوي على مادة "مجهولة" اطلق عليها المادة المظلمة، وان قوة جاذبية هذه المادة هي التي تؤثر على النجوم. هذه المادة المظلمة، تجريدية، وتستخدم فقط من اجل تفسير " موديل" حركة النجوم. فرضية وجود المادة الظلمة، كانت على الدوام حل مؤقت وغير مرضي علميا، إذ ان هذه المادة المفترضة لاتمتلك خواص فيزيائية محددة. لهذا السبب كان من المستحيل تأكيد او رفض الفرضية. والامر الذي دعى البعض الى التشبيه بين الضرورة التي وقفت خلف الحاجة الى ابتداع فكرة المادة المظلمة وابتداع فكرة الله عند الانسان البدائي.

احدى اوائل المحاولات من اجل تقديم بديل للمادة المظلمة جرت عام 1983، عندما قام العالم الاسرائيلي Mordechai Milgrom, من معهد وايزمان للعلوم بتقديم ديناميك نيوتن محسن قادر على تفسير حركة النجوم في المجرات. نظرية ميلغروم تقول ان نظرية نيوتن لاتنطبق على المناطق التي تملك كثافة مادية منخفضة، وهو الامر الذي يميز اطراف المجرات. التعديل الذي قام به ميلغروم على المعادلات جعل الجاذبية تصبح اقوى في الاطراف. هذه النظرية الجديدة اطلق عليها اسم (modifierad newtonsk dynamik), MOND, وقادرة على تفسير حركة النجوم بدون الحاجة لافتراض المادة المظلمة.

عام 2004 فام العالم الاسرائيلي Jacob Bekenstein, بتطوير اعمال زميله ميلغروم، بحيث ان النظرية اصبحت قادرة ان تحمل في طياتها ليس فقط معاني نظرية نيوتن الكلاسيكية، وانما ايضا نظرية اينشتاين عن النسبية العامة. النظرية الجديدة اطلق عليها اسم TeVeS, (Tensor-Vektor-Skalأ¤r). العوامل الداخلة في تينسور لها جذور في نظرية النسبية، وهو الطرف الرياضي الذي يقوم بتحديد ابعاد الزمكان. الفيكتور يقوم بضمان ان المادة والاشعاعات في علاقة ديناميكية، والطرف الاخير يحدد قوة الجاذبية في مختلف المناطق من الكون. هذه الجوانب الثلاثة تعني ان النظرية تحتوي جاذبية نيوتن ونسبية اينشتاين وتعديلات ميلغروم.

النظرية الجديدة جرى اختبارها من قبل الفيزيائيين Costantinos Skordis & Pedro Ferreira, من جامعة اكسفورد البريطانية، وجرى التأكد من انها لاتحتاج الى مادة مظلمة. هذا الامر يفتح المجال لحل لغز ظواهر الجاذبية نظريا بدون الحاجة الى الملاحظات.

وحتى فيزياء الكم يعمل بنشاط من اجل تحسين قانون الجاذبية. ميكانيك الكفانت (الكم) هو فرع من فروع الفيزياء يهتم بالعلاقات الداخلية بين الجزيئات على المستوى الذري ومكوناته.

الكهرومغناطيسية الفرضية التي طرحها منظريي علم فيزياء الكم تقول ان قوة الجاذبية يجري تناقلها من خلال تبادل جزيئات تسمى graviton. كون هذا المبدأ ينطبق على القوى الرئيسية الثلاثة الاخرى، يعلمه العلماء سابقا. مثلا نعلم ان الكهرومغناطيسية يجري نقلها من قبل الجزيئ foton, والذي يعني ان المغناطيس يلتصق بقطعة الحديد لان الفوتونات تقفز مابين الاثنين، ذهابا واياباً.

المشكلة ان الفيزيائيين لم يعثروا ابدا على هذا الجزيئ الذي ينقل الجاذبية. هذا التفسير يعني ان التفاحة التي تسقط من شجرة التفاح الى الارض تتبادل جزيئات الكرافيتون مع الارض. هذه الكرافيتونات تتجسد لفترة ضئيلة للغاية بحيث انه يستحيل توثيقها، وبهذا، ولو كانت فعلا موجودة فليس من السهولة استشعارها. وإذا كنا سنصدق نظرية جديدة في فيزياء الكفانت (الكم)، فإن الجاذبية لايمكن رصدها في عالمنا ذو الابعاد الاربعة، لانه، وببساطة قادرة على الاختفاء في الابعاد الاخرى للكون. الاثار الوحيدة الممكنة الدالة عليها، هي الطاقة التي يفقدها عالمنا، غير ان ظاهرة من هذا النوع لم يجري ملاحظتها على الاطلاق. من هنا لايوجد اي شك ان الكلمة الاخيرة بشأن الجاذبية لم تُكتب بعد.



المصادر:
ديناميك نيوتن

المصدر: ملتقى شذرات