گرانش :
کره زمین و دیگر کرات و سیارات تشکیل دهنده جهان ما همگی دارای نیرویی هستند که اشیاء را به سوی خود جذب می‌کنند این نیرو را گرانِش یا جاذبه می‌‌نامیم، که نیوتن آن را کشف کرد. از دیر باز همواره دو مسئله مورد توجه بود:
تمایل اجسام به سقوط به طرف زمین هنگام رها شدن. حرکات سیارات،از جمله خورشید و ماه که در آن زمان سیاره بشمار می‌آمدند. در گذشته این دو موضوع را جدا از هم میدانستند.یکی از دستاوردهای بزرگ آیزاک نیوتن این بود که نتیجه گرفت: این دو موضوع در واقع امر واحدی هستند و از قوانین یکسانی پیروی می‌کنند. در سال ۱۶۶۵ ،پس از تعطیلی مدرسه به خاطر شیوع طاعون، نیوتن، که در آن زمان ۲۳ سال داشت،از کمبریج به لینکلن شایر رفت.او در حدود پنجاه سال بعد نوشت:....در همان سال (۱۶۶۵) این فکر به نظرم آمد که نیروی لازم برای نگه داشتن ماه در مدارش و نیروی گرانش در سطح زمین با تقریب خوبی با هم مشابهند. ویلیام استوکلی، یکی از دوستان جوان ایزاک نیوتن می‌‌نویسد، وقتی با آیزاک نیوتن زیر درختان سیب یک باغ مشغول صرف چای بوده است نیوتن به او گفته که ایده گرانش در یک چنین حایی به ذهنش خطور کرده است.
استوکس می‌‌نویسد:«او در حالی که نشسته و در فکر فرو رفته بود سقوط یک سیب توجهش را جلب می‌کند و به مفهوم گرانش پی می‌‌برد. پس از آن به تدریج خاصیت گرانش را در مورد حرکت زمین و اجسام سماوی به کار می‌‌برد........» البته باید گفت:
اینکه سیب مذکور به سر آیزاک نیوتن خورده است یا خیرمعلوم نیست! آیزاک نیوتن تا سال ۱۶۷۸ ،یعنی تقریبا تا ۲۲ سال پس از درک مفهوم اساسی گرانش نتایج محاسبات خود را به طور کامل منتشر نکرد. در این سال دستاوردهایش را در کتاب مشهور اصول که از آثار بزرگ اوست منتشر کرد. از دلایلی که باعث می‌‌شد او نتایج خود را انتشار ندهد، می‌توان به دو دلیل اشاره :
۱) شعاع زمین ،که برای انجام محاسبات لازم بود و آیزاک نیوتن آن را نمی‌دانست
۲) آیزاک نیوتن به طور کلی از انتشار نتایج کار خود ابا داشت زیرا مردی کمرو و درونگرا بود واز بحث و جدل نفرت داشت. راسل در مورد او می‌‌گوید:«اگر او با مخالفت‌هایی که گالیله با آن‌ها مواجه بود ،روبرو می‌‌شد، شاید هرگز حتی یک سطر هم منتشر نمی‌کرد. در واقع ،ادموند هالی(که ستاره دنباله دار هالی به نام اوست) باعث شد آیزاک نیوتن کتاب اصول را منتشر کند. آیزاک نیوتن در کتاب اصول از حد مسائل سیب-زمین فراتر می‌‌رود و قانون گرانش خود را به تمام اجسام تعمیم می‌دهد.
گرانش را می‌توان در سه قلمرو مطالعه کرد:
جاذبه بین دو جسم مانند دو سنگ و یا هر دو شیئ دیگر.اگر جه نیروی بین اجسام به روش‌های دقیق قابل اندازه گیری است ولی بسیار ضعیف تر از آن است که ما با حواس معمولی خود آن را درک کنیم. جاذبه زمین بر ما و اجسام اطراف ما که یک عامل تعیین کننده در زندگی ماست و فقط با اقدامات فوق العاده می‌توانیم از آن رهایی پیدا کنیم. مانند پرتاب فضاپیماهایی که باید از قید جاذبه زمین رها شوند. در مقیاس کیهانی یعنی در قلمرو منظومه خورشیدی و بر هم کنش سیاره‌ها و ستاره ها،گرانش نیروی غالب است. آیزاک نیوتن توانست حرکت سیارات در منظومه خورشیدی و حرکت در حال سقوط در نزدیکی سطح زمین را با یک مفهوم بیان کند.به این ترتیب مکانیک زمینی و مکانیک سماوی را که قبلا از هم جدا بودند در یک نظریه واحد با هم بیان کند.از نظریه‌های دیگر می‌توان به نظریه گرانش اینشتین یا همان نسبیت عام و همچنین نظریه‌های کوانتومی اشاره کرد که در اکثر آنها (نظریه‌های ***تومی) عامل انتقال گرانش ذرات بوزونی بنام گرویتون (Graviton) هستند....... .....
● تئوری نسبیت عام انیشتین:
نیوتون فرض می کرد که نیروی گرانش به طور لحظه ای عمل می کرد . نظر او این بود که اعمال شدن کشش خورشید بر روی زمین محتاج زمان نیست ، و بر هم کنش های گرانشی ، حتی در فواصل نامحدود ستارگان ، در آنی روی می دهد . انیشتین به نادرست بودن این نظر پی برد ، چرا که هیچ بر هم کنشی ( و همچنین هیچ جسمی ) نمی تواند سریع تر از سرعت نور منتشر شود . از این رو ، انیشتین تکمیل نظریه ی جدیدی را در باره ی گرانش آغاز کرد که در آن هم سرعت انتشار گرانش همان سرعت نور باشد و هم بتواند حرکت های سیارات را به خوبی نظریه ی نیوتون توضیح دهد. به فرجام رساندن این کار ، نه از نظر فرمول بندی ریاضی آسان بود و نه به راحتی در تصور می آمد .
انیشتین مجبور بود که پیش از ترسیم تصویر کاملی از گرانش ، بعضی از تصورات پیشین درباره ی ماهیت فضا ، زمان و حرکت را کنار بگذارد . وی لازم دید که منظره ی ساده و به راحتی قابل تصوری که از فضا داریم ، یعنی فضای مسطح سه بعدی ، را نیز کنار بگذارد . در عوض ، آنچه از جانب انیشتین مطرح و نشان داده شد این بود که میدان گرانشی در فضا ، مثلا میدان ناشی از وجود خورشید ، به اعوجاجی در فضا می انجامد ، که شدت آن به میزان جرم جسم بستگی دارد . علاوه بر این ، انیشتین دریافت که صرفا در قالب جهان سه بعدی نمی توان به راحتی این موضوع را درک کرد و از این رو ، در معادلات خود ، زمان را به منزله ی بعد چهارم به کار برد. ما معمولا فرض می کنیم که یک رویداد تنها در فضا روی می دهد و بنابراین فکر می کنیم که هر رویداد را تنها به کمک سه عدد ، که مختصات فضایی آن را نشان می دهد ، می توان وصف کرد . انیشتین رویداد ها را در فضا-زمان توصیف کرد ، اما باز قدمی جلوتر نهاد و فرض کرد که چهار بعد فضا-زمان می تواند خمیده باشد.
سرانجام ، در ۱۹۱۶ ، نظریه ی نسبیت عام به طور کاملا ریاضی بسط داده شد ، که شامل معادلات توصیف کننده ی انحنای فضا-زمان در پیرامون یک جسم پر جرم بود. برای این که این مساله را راحت تر تجسم کنید ، لحظه ای فکر کنید که فضا-زمان ، به عوض چهار بعدی بودن ، دو بعدی است . ما می توانیم این فضا-زمان دو بعدی را به صورت یک صفحه ی مسطح ، که هیچ جسم دارای جرم در مجاورت آن نیست ، نشان دهیم . اما در حضور یک جسم ، مانند خورشید ، صفحه ی مسطح معوج می شود . فرورفتگی ظاهر می گردد که نشانگر انحنای فضا-زمان در نتیجه ی میدان گرانشی جسم است . هر چه جرم جسم بیشتر باشد ، به فرورفتگی بزرگتری در فضا-زمان می انجامد . هر جسمی که به قدر کافی به این فرو رفتگی نزدیک شود مجبور است که مسیر خود را تغییر دهد . اگر حرکت جسم بسیار آرام و کاملا به سمت مرکز فرورفتگی باشد ، به درون حفره ی فرورفتگی می افتد و در ته آن ساکن می شود . اگر جسم به هنگام حرکت به سوی خورشید ، سرعت کافی داشته باشد ، خورشید را پشت سر می گذارد ، اما مسیر آن خط راست نخواهد بود . جسم ، موقعی که از فرورفتگی عبور می کند ، مستقیم ترین مسیر ممکن را طی می کند ( خط ژئودزیک) ، اما آشکا است که این خط نمی تواند خط مستقیم باشد ، زیرا صفحه ای که جسم در آن حرکت می کند ، خمیده است.
لز این رو ، جسمی مانند یک دنباله دار ، هنگامی که از کنار خورشید می گذرد ، در اثر گرانش خورشید چنان تغییر مسیر می دهد که پس از عبور از مجاورت آن ، راستایی کاملا متفاوت را در پیش می گیرد . به همین ترتیب ، سیاره ای مانند زمین ، علی رغم سرعت بسیار زیادی که در فضا دارد ، گرفتار فرورفتگی فضا-زمان خورشید می شود و در میان دامنه های این فرورفتگی برای همیشه گردش می کند. ....... سیاه چاله چیست؟:
به طور ساده سیاه چاله قسمتی از فضا است که جرم متمرکز بسیار زیادی دارد بطوری که هیچ جسمی شانسی برای فرار از جاذبه ی آن ندارد. تا به امروز بهترین تئوری برای جاذبه تئوری نسبیت اینشتین است و ما باید در نتایج این نظریه به اندازه ی کافی د قیق شویم تا بتوانیم سیاه چاله ها را در جزئیات این نظریه پیدا کنیم .
فرض کنید شما روی سطح سیاره ای ایستاده اید و سنگی را به هوا می اندازید اگر آنو به اندازه ی کافی با شدت به بالا پرتاب نکنید آن سنگ به اندازه کمی بالا می رود اما بعد از مدتی به علت شتاب جاذبه زمین آن سنگ شروع به سقوط می کنه اگر شما به اندازه ی کافی آن سنگ رو محکم به هوا پرتاب کنید شما می توانید آن رو از دام جاذبه ی آن سیاه خارج کنید و آن تا ابد در حال اوج گیری نسبت به آن سیاره به حرکت خود ادامه می دهد به سرعتی که شما لازم دارید تا سنگ از جاذبه ی آن سیاره فرار کند " سرعت گریز " گفته می شود همان طور که حدس زده می شود سرعت گریز به جرم سیاره بستگی داره اگر سیاره به اندازه ی کافی جرم زیاد داشته باشد قاعدتا سرعت گریز بیشتری را طلب می کند البته این تنها عامل سرعت گریز نیست بلکه فاصله ما تا مرکز سیاره هم شرط دیگری است که بر سرعت گریز تاثیر می گذارد رابطه ی فاصله با سرعت گریز رابطه ی عکس است برای مثال سرعت گریز از سطح سیاره ی زمین ۱۱/۲ کیلومتر بر ثانیه است یا ۲۵۰۰۰ مایل بر ساعت در صورتی که سرعت گریز از سطح ماه فقط ۲/۴ کیلومتر بر ثانیه است یا ۵۳۰۰ مایل بر ساعت (برای تبدیل این سرعت ها از سیستمی که در پایین صفحه قرار دارد می توانید استفاده کنید) حال تصور کنید که جسمی با جرمی فوق العاده زیاد و شعاع فوق العاده کم داریم که سرعت گریز از سطح آن به اندازه ی سرعت نور است سرعت گریز را از رابطه ی زیر محاسبه می گردد : V۲=MG/R که در آن V سرعت گریز از مرکز ، M جرم سیاره ، G ثابت گرانش و R فاصله ما تا مرکز سیاره است که اگر ما روی سطح آن قرار گرفته باشیم برابر با شعاع آن سیاره خواهد شد.
شروع اولیه ی مطالعه ی چگالی شدید سیاه چاله ها در سده ی ۱۸ شروع شد ، تقریبا به فاصله ی کمی از انتشار نظریه ی نسبیت اینشتین کارل شوارتسشیلد موفق به حل معادله ای شد که در مورد یک شی بحث می کرد بعد ها اشخاصی مانند اپنهایمر ، ولکف و اشنایدر در سال ۱۹۳۰ متوجه وجود شی ای به نام سیاه چاله در جهان شدند (البته واژه ی سیاه چاله در سال ۱۹۶۹ توسط دانشمندی به نام جان آرچیبالد ویلر ابداع شد) این دانشمندان نشان دادند که وقتی ستارگان پر جرم سوخت خود را به طور کامل از دست می دهند نمی توانند خود را تحمل کنند و نیروی جاذبه خودشان بر خودشان غلبه می کند و آنها را به اصطلاح رمبیده می کند به درون خود. در جهان نسبیت گرانش خود را در لباس خمش فضا و زمان نشان می دهد .
اجرام پر جرم فضا زمان را خمیده می کنند ، به این دلیل است که هندسه نمی تواند آن را توصیف کند در کنار سیاه چاله خمش فضا بسیار شدید است و به همین دلیل خصوصیتهای سیاه چاله عجیب به نظر می رسد سیاه چاله ها دارای خصوصیتی به نام افق رویداد است این افق رویداد سطحی کروی شکل است که از آن به مرز سیاه چاله ها نام برده می شود شما می توانید داخل آن شوید اما نمی توانید از آن خارج شوید در واقع به محض آنکه شما وارد آن شوید شما محکوم شده اید که به سمت مرکز تکینگی که در مرکز سیاه چاله واقع شده است کشیده شوید . شما می توانید فکر کنید که افق رویداد مکانی است که سرعت گریز از آن برابر با سرعت نور است قاعدتا خارج است افق رویداد سرعت گریز کمتر از سرعت نور است برای یک رصدگر وقتی که به افق رویداد نگاهی می اندازیم البته نه با امکانات رصد چشمی بلکه رادیویی و ... افق رویداد را سطحی کاملا کروی ثابت خواهیم یافت ولی اگر به آن کمی نزدیک تر شویم متوجه تندی آن می شویم در واقع آن دارد با سرعت نور حرکت می کند پس ما برای اینکه بتوانیم از سیاهچاله فرار کنیم باید سرعتی مافوق نور داشته باشیم . هنگامی که به افق وارد شوید مختصات وضعیت فاصله شما از مرکز به طور شتابداری کم می شود ولی در عوض به خاطر هندسه ی منحصر به فرد سیاه چاله ها مختصات زمان شما به طور شتابدار به سمت جلو می رود به طوری که شما فلواقع در آینده به سر خواهید برد . ............
● انواع سیاهچاله :
▪ شوارتس شیلد:
ساده ترین نوع سیاهچاله‌هاست، بار و چرخش ندارد، تنها یک افق رویداد و یک فوتون کره دارد، از آن نمی توان انرژی استخراج کرد. شامل تکینگی ، نقطه‌ای است که در آن ماده تا چگالی نامحدود در هم فرو رفته است.........
▪ رایزنر- نورد شتروم:
هم بار دارد وهم چرخش ، می تواند دو افق رویداد داشته باشد ، اما تنها یک فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی نقطه ای است که وجود آن در طبیعت نامحتمل است، زیرا بارهای آن همدیگر را خنثی می کنند......
▪ کر:
چرخش دارد، اما بار ندارد. بیضی و از بیرونی حد استاتیک است. منطقه تیره میان افق رویداد و حد استاتیک ارگوسفر است، که می توان از آن انرژی استخراج کرد. می تواند دو افق رویداد و دو حد استاتیک داشته باشد. دو فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی حلقه‌ای است........... ..
▪ کر- نیومان:
هم بار دارد و هم چرخش ، همان سیاهچاله کر است، جز اینکه بار دارد، ساختارش شبیه ساختار سیاهچاله کر است. می‌توان از آن انرژی استخراج کرد. یک تکینگی حلقه‌ای دارد... .... به نظر پژوهشگران چهارنوع سیاهچاله همچنانکه ذکر شد می تواند وجود داشته باشند. مهمترین موضوع در باب سیاه چاله آنست که، بدانیم ماده در داخل سیاهچاله‌ای که حاصل آمده است در نهایت به چه سرنوشتی دچار می شود؟ اختر فیزیکدانان می‌گویند:
اگر مقداری ماده به داخل حفره سیاه از قبیل آنچه که از یک ستاره وزین مرده بجای مانده بیندازید، نتیجه نهایی همواره الزاما یک چیز خواهد بود و تنها جرم ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای که جسم با خود حمل می کند باقی خواهند ماند. اما اگر کل جهان به داخل حفره سیاه خود بیفتد، یعنی به شکل سیاهچاله در آید، دیگر حتی کمیاب بنیادی (جرم) ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای نیز ناپدید می گردند .


Linkback: https://irmeta.com/meta/b390/t778/