ثابت گرانش چیست؟

ثابت گرانش کلید باز کردن جرم همه چیز در جهان و همچنین اسرار گرانش است.

از ثابت گرانشی می‌توان برای محاسبه کشش گرانشی بین دو جسم استفاده کرد. تصویری از میدان‌های گرانشی زمین و ماه که ساختار فضا-زمان را مخدوش می‌کند. (اعتبار تصویر: مارک گارلیک/گتی ایماژ)

ثابت گرانشی قدرت ذاتی گرانش را توصیف می‌کند و می‌تواند برای محاسبه کشش گرانشی بین دو جسم استفاده شود.

ثابت گرانشی که به عنوان “G بزرگ” یا G نیز شناخته می‌شود، اولین بار توسط آیزاک نیوتن در قانون گرانش جهانی تعریف شد که در سال 1680 فرمول بندی شد. این ثابت یکی از ثابتهای بنیادی طبیعت است.

کشش گرانشی بین دو جسم را می‌توان با ثابت گرانش با استفاده از معادله‌ای که اکثر ما در دبیرستان با آن مواجهیم محاسبه کرد: نیروی گرانشی بین دو جسم با ضرب جرم آن دو جسم (m1 و m2) و G پیدا می‌شود و سپس تقسیم بر مربع فاصله بین دو جسم (F = [G x m1 x m2]/r^2).

ثابت گرانشی

ثابت گرانش کلید اندازه گیری جرم همه چیز در جهان است.

به عنوان مثال، هنگامی که ثابت گرانش شناخته شد، سپس با شتاب ناشی از گرانش روی زمین همراه شد، جرم سیاره ما قابل محاسبه است. هنگامی که جرم سیاره خود را می‌دانیم، پس دانستن اندازه و دوره گردش زمین به ما امکان می‌دهد جرم خورشید را اندازه‌گیری کنیم و دانستن جرم خورشید به ما این امکان را می‌دهد که جرم هر چیزی را که در داخل کهکشان راه شیری وجود دارد تا مدار خورشید اندازه‌گیری کنیم.

اندازه‌‌گیری ثابت گرانشی

اندازه‌گیری G یکی از اولین آزمایش‌های علمی با دقت بالا بود و دانشمندان در جستجوی این هستند که آیا می‌تواند در زمان‌ها و مکان‌های مختلف در فضا متفاوت باشد که می‌تواند پیامدهای بزرگی برای کیهان‌شناسی داشته باشد.

رسیدن به مقدار 6.67408 x10^–11 m^3 kg^–1 s^–2 برای ثابت گرانشی متکی به یک آزمایش نسبتاً هوشمندانه قرن هجدهم بود که با تلاش نقشه‌بردار برای ترسیم مرز بین ایالتهای پنسیلوانیا و مریلند انجام شد.

در انگلستان، دانشمند هنری کاوندیش (1731-1810) که به محاسبه چگالی زمین علاقه‌مند بود، متوجه شد  که تلاش‌های نقشه‌بردار محکوم به شکست خواهد بود زیرا کوه‌های مجاور « plumb-bob» نقشه‌برداران (ابزاری که یک خط مرجع عمودی را فراهم می‌کرد که نقشه‌برها می‌توانستند اندازه‌گیری‌های خود را بر اساس آن انجام دهند) را در معرض یک کشش گرانشی خفیف قرار می‌دادند و خوانش آنها را از بین می‌بردند. اگر اندازه G را می‌دانستند، می‌توانستند کشش گرانشی کوه‌ها را محاسبه کرده و نتایج خود را اصلاح کنند.

بنابراین کاوندیش شروع به انجام اندازه گیری کرد، دقیق‌ترین اندازه‌گیری علمی انجام شده تا آن نقطه در تاریخ می‌باشد.

فیلسوف طبیعی انگلیسی هنری کاوندیش (1731-1810) تعادل پیچشی را برای اندازه‌گیری نیروی گرانش بین دو جرم بزرگ ساخت تا بتواند اولین محاسبه جرم زمین را انجام دهد.

فیلسوف طبیعی انگلیسی هنری کاوندیش (1731-1810) تعادل پیچشی را برای اندازه‌گیری نیروی گرانش بین دو جرم بزرگ ساخت تا بتواند اولین محاسبه جرم زمین را انجام دهد. (اعتبار تصویر: Science & Society Picture Library/Getty Images)

آزمایش او به عنوان “تکنیک تعادل پیچشی” نامیده شد. این ابزار شامل دو دمبل بود که می‌توانستند حول یک محور بچرخند. یکی از دمبل‌ها دو گوی سربی کوچک‌تر داشت که توسط یک میله به هم وصل شده و به ظرافت توسط یک فیبر آویزان شده بودند. دمبل دیگر دارای دو وزنه سربی 348 پوندی (158 کیلوگرمی) بود که می‌توانست به دو طرف دمبل کوچکتر بچرخد.

وقتی وزنه‌های بزرگ‌تر نزدیک به کره‌های کوچک‌تر قرار گرفتند، کشش گرانشی کره‌های بزرگ‌تر، کره‌های کوچک‌تر را جذب می‌کرد و باعث پیچش فیبر می‌شد. درجه پیچش به کاوندیش اجازه داد تا گشتاور (نیروی چرخشی) سیستم پیچش را اندازه‌گیری کند. او سپس از این مقدار برای گشتاور به جای «F» در معادله‌ای که در بالا توضیح داده شد استفاده کرد و همراه با جرم وزنه‌ها و فواصل آنها، می‌توانست معادله را برای محاسبه G دوباره مرتب کند.

آیا ثابت گرانشی می‌تواند تغییر کند؟

این امر منبع ناامیدی در میان فیزیکدانان است که “G بزرگ” به اندازه سایر ثابتهای اساسی با اعشار شناخته نمی‌شود. به عنوان مثال، بار یک الکترون با نه رقم اعشار (1.602176634 x 10^-19 کولن) شناخته شده است، اما G فقط تا پنج نقطه اعشار به دقت اندازه‌گیری شده است. تلاش‌ها برای اندازه‌گیری آن با دقت بیشتر با یکدیگر همخوانی ندارند.

بخشی از دلیل این امر این است که گرانش اشیاء اطراف دستگاه آزمایشی با آزمایش تداخل خواهد داشت. با این حال، این سوء ظن نیز وجود دارد که مشکل صرفاً تجربی نیست، بلکه ممکن است فیزیک جدیدی در کار باشد. حتی ممکن است ثابت گرانش آنطور ثابت نباشد که دانشمندان فکر می‌کردند.

در دهه 1960، فیزیکدانان رابرت دیک – که تیمش در سال 1964 توسط آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون، پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) را کشف کردند) – و کارل برانس نظریه‌ای به اصطلاح تانسور اسکالر از گرانش تغییری از نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین را توسعه دادند. یک میدان اسکالر خاصیتی را توصیف می‌کند که به طور بالقوه می‌تواند در نقاط مختلف فضا تغییر کند (قیاس زمینی یک نقشه دما است که در آن دما ثابت نیست، اما با مکان متفاوت است). اگر گرانش یک میدان اسکالر باشد، G به طور بالقوه می‌تواند مقادیر متفاوتی در فضا و زمان داشته باشد. این با نسخه پذیرفته شده‌تر نسبیت عام متفاوت است، که فرض می‌کند گرانش در سراسر جهان ثابت است.

موتوهیکو یوشیمورا از دانشگاه اوکایاما در ژاپن پیشنهاد کرد که نظریه گرانش تانسور اسکالر می‌تواند تورم کیهانی را با انرژی تاریک مرتبط کند. تورم کسری از ثانیه پس از تولد کیهان اتفاق افتاد و باعث انبساط مختصر اما سریع فضا شد که بین 10^–36 و 10^–33 ثانیه پس از انفجار بزرگ به طول انجامید و کیهان را قبل از اینکه به طور مرموزی خاموش شود از ابعاد میکروسکوپی به ماکروسکوپی تبدیل کرد.

تصویری از انبساط جهان. (اعتبار تصویر: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY از طریق Getty Images)

انرژی تاریک نیروی اسرارآمیزی است که امروزه به انبساط کیهان سرعت می‌خشد. بسیاری از فیزیکدانان به این فکر کرده‌اند که آیا می‌تواند بین این دو نیروی توسعه‌طلب ارتباطی وجود داشته باشد. یوشیمورا پیشنهاد می‌کند که وجود دارد – که هر دو مظاهر میدان اسکالر گرانشی هستند که در اوایل جهان بسیار قوی‌تر بود، سپس ضعیف شد، اما با انبساط جهان و گستردگی ماده دوباره قوی‌تر شده است.

با این حال، تلاش‌ها برای شناسایی هر گونه تغییر قابل توجه در G در سایر نقاط جهان تاکنون چیزی پیدا نکرده است. به عنوان مثال، در سال 2015، نتایج یک مطالعه 21 ساله در مورد ضربان‌های منظم تپ‌اختر PSR J1713+0747 هیچ مدرکی دال بر قدرت گرانش متفاوت در مقایسه با منظومه شمسی پیدا نکرد. هم رصدخانه گرین بانک و هم تلسکوپ رادیویی آرسیبو  PSR J1713+0747 را رصد کردند که در فاصله 3750 سال نوری از ما در یک سیستم دوتایی با یک کوتوله سفید قرار دارد. تپ‌اختر یکی از منظم‌ترین تپ‌اخترهای شناخته شده است و هر گونه انحراف از “جی بزرگ” به سرعت در دوره رقص مداری آن با کوتوله سفید و زمان ضربانهای آن آشکار می‌شد.

ویوی ژو از دانشگاه بریتیش کلمبیا، که مطالعه PSR J1713+0747 را رهبری می‌کرد، در بیانیه‌ای گفت: “ثابت گرانشی یک ثابت اساسی فیزیک است، بنابراین آزمایش این پایه مهم است. فرض استفاده از اجسام در مکان‌ها، زمان‌ها و شرایط گرانشی متفاوت. این واقعیت که ما می‌بینیم گرانش در منظومه شمسی ما همان عملکردی را دارد که در یک منظومه ستاره‌ای دور انجام می‌دهد، به تأیید این موضوع کمک می‌کند که ثابت گرانشی واقعاً جهانی است.”

منبع:

What is the gravitational constant?

By Keith Cooper

https://www.space.com/what-is-the-gravitational-constant