دو مکتب فکری در مورد گرانش
فیزیکدانان به دنبال نظریه گرانش کوانتومی هستند، زیرا قوانین فعلی حاکم برگرانش در هر شرایطی کار نمی‌کنند. به نظر می‌رسد نظریه گرانش، خصوصا در شرایط معینی فرو می‌پاشد (یعنی معادلات از لحاظ فیزیکی بی‌معنا می‌شوند).
گرانش نیروی جاذبه‌ای است که اجسام را ظاهرا با هر فاصله‌ای از هم به سمت یکدیگر می‌کشد. فرمول‌بندی نظریه گرانش کلاسیک به دست سر ایزاک نیوتن، از بزرگ‌ترین دستاوردهای فیزیک بود. دو قرن بعد، ابداع مجدد گرانش به دست آلبرت اینشتین، بدون شک او را در جایگاه مشهورترین متفکر علمی همه اعصار قرار داد.
اگر فیزیکدان نباشید، احتمالا گرانش برایتان عادی تلقی می‌شود. در مقیاس اتمی، می‌توان از گرانش در مقایسه با نیروی الکترومغناطیس چشم‌پوشی کرد. در واقع حتی یک آهنربای ساده هم می‌تواند به کل نیروی کره زمین غلبه و اجسام فلزی از گیره کاغذ گرفته تا اتومبیل‌ها را بلند کند.
قانون جاذبه نیوتن: گرانش به عنوان نیرو
سر آیزاک نیوتن نظریه‌ی گرانش خود را در اواخر دهه 1600 میلادی بنا کرد. این نظریه شگفت‌انگیز حاصل گردآوری اطلاعات ستاره‌شناسی و قوانین حرکت (معروف به مکانیک یا سینماتیک) در چهارچوب جامعی بود که به ابداع شکل جدیدی از ریاضیات نیاز داشت: حسابان. طبق نظریه گرانش نیوتن، اجسام با یک نیروی فیزیکی که از فاصله طولانی در فضا عمل می‌کند، به سمت یکدیگر کشیده می‌شوند.
نکته اینجاست که گرانش، همه اجسام را به نوعی به یکد یگر متصل می‌کند (بسیار شبیه به نیرو در فیلم جنگ ستارگان). افتادن سیب از درخت و حرکت ماه به دور زمین، دقیقا دو نمایش از همان نیروی بنیادی هستند.
رابطه‌ای که نیوتن پیدا کرد، درست همانند نسبیت، مکانیک کوانتومی و نظریه ریسمان یک رابطه ریاضی بود (البته عاقبت برای این که نظریه کاملا کاربردی باشد، مجبور به ابداع حسابان شد).
در نظریه گرانشی نیوتن نیروی بین دو جسم عبارت است از حاصل ضرب جرم‌های آنها تقسیم بر مربع فاصله بین آن دو. به عبارت دیگر با فرض ثابت بودن فاصله، هر چه اجسام سنگین‌تر باشند، نیروی بین آنها بیشتر است.
این حقیقت که نیرو بر مجذور فاصله تقسیبم می‌شود به این معنی است که اگر همان دو جسم به یکدیگر نزدیک‌تر شوند، قدرت گرانش افزایش می‌یابد و اگر فاصله بیشتر شود، نیرو به یک چهارم شدت اولیه‌اش کاهش یافته و اگر فاصله نصف شود، نیرو چهار برابر می‌شود.
اگر اجسام خیلی از یکدیگر دور باشند، تاثیر گرانش ناچیز خواهد بود. دلیل این که گرانش روی کل عالم ثر دارد، وجود مقدار بسیار زیادی از آن است، وگرنه گرانش به خودی خود نیروی ضعیفی است.
عکس این مطلب هم درست است و اگر دو جسم خیلی خیلی به هم نزدیک شوند، آنگاه گرانش می‌تواند حتی بین اجسامی که جرم چندانی ندارند هم به طرز شگفت‌انگیزی قوی باشد.
این تنها جایی نیست که گرانش به چشم می‌آید. قدرتمندی گراانش در جهان، ناشی از این واقعیت نیز هست که همیشه اجسام را به سمت یکدیگر جذب می‌کند. نیروی الکترومغناطیسی گاهی اجسام را به هم جذب و گاهی از هم دفع می‌کند، بنابراین، در مقیاس بزرگ عالم، تقریبا اثر خنثی دارد و بالاخره این که گرانش برخلاف برخی نیروهای دیگر (مثل نیروهای هسته‌ای که فقط در فاصله‌های کوچکتر از یک اتم عمل می‌کنند) در فواصل خیلی بلند هم برهم‌کنش می‌کند.
با وجود موفقیت نظریه نیوتن، او هنوز تعدادی مسئله آزاردهنده در پس ذهن خود داشت. اولین و مهم‌ترین آن این بود که هر چند مدلی برای گرانش یافته بود، ولی علت آن را نمی‌دانست. گرانشی که او توصیف می‌کرد، تقریبا نیرو (یا شبه نیرویی) مرموز بود که در فواصل دور، بدون نیاز به هیچ واسطه فیزیکی، اثر می‌کرد. دو قرن طول کشید تا آلبرت اینشتین این مسئله را حل کند.
قانون گرانش اینشتین
آلبرت اینشتین در نگرش فیزیک‌پیشگان به گرانش، انقلابی بر پا کرد. به جای دیدن گرانش به صورت نیرویی که بین اجسام عمل می‌کند، اینشتین جهانی را تصور کرد که در آن، جرم هر جسم اندکی فضای (در واقع فضا ـ زمان) اطرف خود را خمیده می‌کند. گرانش، حرکت جسم روی کوتاه‌ترین فاصله در این فضا ـ زمان است. به عبارت دیگر، به جای این گرانش یک نیرو باشد، در واقع نتیجه‌ای از هندسه خود فضا ـ زمان است.
اینشتین پیشنهاد داد که حرکت در جهان را می‌توان برحسب یک دستگاه مختصات با سه بعد فضایی ـ مثلا بالا / پایین، چپ / راست و جلو / عقب ـ و یک بعد زمانی توصیف کرد. این دستگاه مختصات 4 بعدی که ایده آن را استاد قدیمی اینشتین هرمن مینکوفسکی داده بود، فضا ـ زمان نامیده شد و در سال 1905 در نظریه نسبیت خاص اینشتین ظاهر شد.
اینشتین با تعمیم این نظریه در سال 1916، نظریه نسبیت عام را به وجود آورد و توانست گرانش ر ا در توضیحات خود درباره حرکت بگنجاند. در حقیقت مفهوم فضا ـ زمان از ضروریات نظریه بود. این دستگاه مختصات فضا ـ زمانی، وقتی که ماده درون آن قرار می‌گرفت، خم می‌شد. جرم‌هایی که در فضا و زمان حرکت می‌کردند به طور طبیعی سعی داشتند کوتاه‌ترین مسیر ممکن از این فضا ـ زمان خمیده را انتخاب کند. ما روی مدار خودمان به دور خورشید حرکت می‌کنیم. چون این کوتاه‌ترین مسیر (در ریاضیات، ژئودزیک نامیده می‌شود) روی فضا ـ زمان خمیده اطراف خورشید است.
منبع:
کتاب نظریه ریسمان نوشته اندرو زیمرمن جونز، دنیل رابینز ترجمه: مریم ذوقی