المجموعات

كيف تعمل الجاذبية وهل يمكننا تطوير تقنية مقاومة الجاذبية؟

كيف تعمل الجاذبية وهل يمكننا تطوير تقنية مقاومة الجاذبية؟

نختبر الجاذبية في كل لحظة نعيشها في حياتنا دون أن نفكر فيها حقًا. لكن ما هو ، وهل نفهمه بالفعل؟

هنا نستكشف باختصار فهمنا الحالي للجاذبية ونبحث فيما إذا كان بإمكاننا إنشاءه بشكل مصطنع في الفضاء.

ذات صلة: 5 حقائق عن الجاذبية

كيف تعمل الجاذبية على الأرض؟

"ما يرتفع يجب أن ينزل" ، كما يقول المثل الشهير. لكن لماذا؟ ماذا يحدث هنا؟

على الرغم من أننا بدأنا حقًا فقط في البدء في فهم ماهيتها ، إلا أن هذه الظاهرة تم التفكير فيها لآلاف السنين.

الفلاسفة اليونانيون ، على سبيل المثال ، اعتقدوا ذات مرة أن الكواكب والنجوم هي جزء من مملكة الآلهة. بتقديرهم ، كانوا خاضعين لما أطلقوا عليه "الحركة الطبيعية".

في حين أنهم لم يطوروا المفهوم أكثر من ذلك بكثير ، إلا أنه سيظل هو الفكرة السائدة في الفكر الغربي حتى عمل جاليليو وبراهي في القرن السادس عشر.

سيساعد عملهم في إحداث ثورة في فهمنا للجاذبية ، مما يؤدي في النهاية إلى إسحاق نيوتن.

الجاذبية ، كما افترض نيوتن ، هي القوة التي تبقي الأرض في مدار حول الشمس. كما قد تتذكر من أيامك في المدرسة ، تميل الجاذبية إلى تعريفها على أنها:

"القوة التي يوجه بها كوكب أو جسم آخر الأشياء نحو مركزه. قوة الجاذبية تبقي جميع الكواكب في مدار حول الشمس." - ناسا.

بعبارة أخرى ، أي شيء له كتلة يمارس قوة على أي شيء آخر له كتلة ، وتؤثر عليه قوة. كلما زادت كتلة الأجسام وقصر المسافة بينها ، زادت قوة الجاذبية التي تمارسها على بعضها البعض.

عندما تقفز في الهواء ، أو تطرق شيئًا ما عن طريق الخطأ من على الطاولة أو ترمي كرة في الحديقة حتى يلتقطها كلبك ، فأنت تعرف بشكل بديهي عواقب أفعالك. يعودون جميعًا ، في النهاية ، إلى الأرض.

قدم أينشتاين لاحقًا تفسيرًا مختلفًا تمامًا عن نيوتن للجاذبية. وفقًا لنظرياته ، الجاذبية هي انحناء في استمرارية الزمكان. تتسبب كتلة الجسم في انحناء وانحناء الفضاء المحيط به بشكل أساسي. يؤدي هذا إلى تشويه المسار الذي يتعين على الأشياء (والضوء) اجتيازه ، مما يؤدي إلى إحداث التأثير الذي "نشعر به" كجاذبية.

في الواقع ، يتأثر أي جسم "يتم التقاطه" في جاذبية جرم سماوي آخر لأن الفضاء الذي يتحرك خلاله منحني باتجاه ذلك الجسم.

قدم أينشتاين أيضًا مفهوم "مبدأ التكافؤ". ينص هذا على أن قوى الجاذبية وقوى القصور الذاتي ذات طبيعة مماثلة وغالبًا ما يتعذر تمييزها.

لتوضيح ذلك ، تخيل أنك كنت في سفينة صاروخية بدون نوافذ ، غير قادر على رؤية الكون الخارجي من محيطك. في هذه الحالة ، سيكون من المستحيل معرفة ما إذا كانت القوة الهابطة التي تشعر بها كجاذبية هي قوة حقيقية أم نتيجة تسارع الصاروخ في اتجاه معين.

هل نفهم الجاذبية؟

ببساطة ، نعم وأيضًا لا. في حين أنها واحدة من أكثر الظواهر الطبيعية التي تمت دراستها على نطاق واسع في الكون ، إلا أننا ما زلنا لا نفهمها حقًا.

كما رأينا ، أحرز إسحاق نيوتن وأينشتاين تقدمًا كبيرًا في المساعدة على فهم الجاذبية ، لكننا ما زلنا غير متأكدين تمامًا من ماهيتها ، أو ما إذا كانت شيئًا على الإطلاق.

وفقًا لأينشتاين ، فإن الجاذبية هي نتيجة لانحناء الزمكان أكثر من كونها قوة حقيقية في حد ذاتها.

ما نعرفه هو أن الأجسام ذات الكتلة تنجذب إلى بعضها البعض. هذه "القوة" تعتمد على المسافة وتضعف كلما ابتعدت الأجسام.

إنها أيضًا ظاهرة قابلة للقياس وهي واحدة من أضعف القوى في الطبيعة. فكر في متوسط ​​مغناطيس الثلاجة ، على سبيل المثال. هذه قادرة بسهولة على تحدي سحب الجاذبية من شيء ضخم مثل الأرض. أنت أيضًا قادر على الهروب من تأثيرات الجاذبية ، وإن كان ذلك مؤقتًا ، ببساطة عن طريق القفز.

لكن يبدو أن هذه العلاقة تنهار تمامًا على المستوى الكمي. لا يبدو أنها مناسبة ، ولا نعرف السبب.

على المستوى الكبير ، تعتبر نظرياتنا الحالية عن الجاذبية مفيدة جدًا للمساعدة في التنبؤ بسلوك الأجسام الكبيرة ، ولكن على النطاق الكمي الصغير جدًا ، فإن النظريات الحالية للجاذبية لا تعمل.

هذه واحدة من أكبر المشاكل في الفيزياء اليوم. يأمل العديد من الفيزيائيين في إنشاء نظرية موحدة للفيزياء الكلية والكمية ذات يوم من شأنها أن تساعد في تفسير ما يجري.

كيف تساعدنا الجاذبية؟

الجاذبية هي إحدى "القوى" الأساسية في الكون. الحجج حول كيفية عملها جانباً ، مهما كانت الجاذبية ، فهي عنصر مهم للغاية للحياة على كوكبنا

الجاذبية هي السبب في أن الأجسام على الأرض لها وزن ولا تطفو ببساطة في الفضاء. إذا كنت ستعيش على كوكب ذي كتلة أقل ، فسيكون وزنك أقل وستكون قادرًا على القفز أعلى من ذلك بكثير.

تحافظ الجاذبية أيضًا على الأرض داخل ما يسمى "منطقة المعتدل" - المسافة من شمسنا حيث يمكن أن توجد المياه في شكل سائل. هذا فقط يحدث ليكون أمرًا حيويًا للحياة.

تساعد الجاذبية أيضًا في الحفاظ على الغلاف الجوي للأرض في مكانه ، مما يوفر لنا الهواء للتنفس. المريخ ، على سبيل المثال ، أقل من نصف حجم الأرض وحوالي عُشر كتلة الأرض. الكتلة الأقل تعني سحبًا أقل للجاذبية ، وفي الحقيقة الغلاف الجوي للمريخ هو فقط حول 1/100 كثيفة مثل الأرض.

تلعب الجاذبية أيضًا دورًا في الحفاظ على كوكبنا معًا. الجاذبية هي أيضًا ما يبقي القمر في مدار حول الأرض. تجذب جاذبية القمر البحار نحوه ، مما يتسبب في المد المحيط.

لكن ، من المثير للاهتمام ، أن قوة الجاذبية ليست متساوية في جميع الأماكن على الأرض. إنه أقوى قليلاً في الأماكن ذات الكتلة الموجودة تحت الأرض أكثر بكثير من الأماكن ذات الكتلة الأقل.

نحن نعلم هذا بسبب مركبتين فضائيتين من وكالة ناسا ومهمة استعادة الجاذبية وتجربة المناخ (GRACE).

"يكتشف GRACE التغيرات الطفيفة في الجاذبية بمرور الوقت. وقد كشفت هذه التغييرات عن تفاصيل مهمة حول كوكبنا. على سبيل المثال ، يراقب GRACE التغيرات في مستوى سطح البحر ويمكنه اكتشاف التغيرات في قشرة الأرض التي تسببها الزلازل." - spaceplace.nasa.gov.

هل يمكن إنشاء الجاذبية؟

كما رأينا بالفعل ، اقترح أينشتاين أن الجاذبية هي في الواقع نتيجة لتشويه الزمكان الذي تسببه أجسام مختلفة. لهذا السبب ، يجب أن يكون من الممكن تطوير الجاذبية الاصطناعية ، على الأقل في الفراغ من الفضاء.

ما نحتاجه هو توفير وسيلة تسارع في اتجاه واحد والتي يجب ، وفقًا لأينشتاين ، أن تنتج تأثيرًا مشابهًا للجاذبية. يمكن القيام بذلك من خلال التسارع الخطي ، مثل الصاروخ ، أو من خلال الزخم الزاوي ، أي تأثير الجاذبية أو التسارع.

هذا موضوع شائع في العديد من كتب وأفلام الخيال العلمي. فكر في المركبة الفضائية الدوارة في "2001: A Space Odyssey" ، على سبيل المثال.

طالما أن السفينة كبيرة بما يكفي ، يجب أن تكون قادرة على إنتاج قوة على ركابها لا يمكن تمييزها تقريبًا عن الجاذبية على الأرض. لن تكون هي نفسها تمامًا ، على الرغم من ذلك ، لأن قوى كوريوليس الكبيرة ستكون موجودة أيضًا ، وستقع الأشياء في منحنيات بدلاً من خطوط مستقيمة.

هذا أيضا له بعض المشاكل الكامنة. كلما تسارع شيء ما بشكل أسرع ، زادت قوة الجاذبية أو قوى التسارع على الركاب.

هذه ليست مشكلة للمركبات الثابتة ، مثل محطة فضائية ، ولكن بالنسبة للسفن التي قد تحتاج إلى السفر لمسافات طويلة بسرعة عالية ، فقد يكون ذلك كارثيًا بالنسبة للطاقم.

إذا كانت المركبة ستسافر بجزء صغير فقط من سرعة الضوء ، فمن المحتمل أن يواجه الطاقم شيئًا يزيد عن ذلك 4000 جرام. وهذا ، وفقًا لمقال في مجلة فوربس ، أكثر من 100 يضاعف التسارع اللازم لمنع تدفق الدم في جسمك - ربما ليس مثاليًا.

يُفترض أن هذا يمكن تجاوزه باستخدام المغناطيسات الكهربائية و "الأرضيات" الموصلة في السفن ، ولكن ستظل تواجه مشكلة القوة "الهابطة". لا توجد على الأرجح وسيلة "لحماية" الطاقم من تأثيرات الجاذبية بسرعات عالية في الفضاء.

قد تكون الطريقة الوحيدة للتعامل مع هذا في المستقبل هي تطوير شكل من أشكال المجال السلبي أو المضاد للجاذبية. ومع ذلك ، مثل كل المادة ، لدينا على الأقل بعض الكتلة الموجبة ، لذلك سنحتاج إلى طريقة لإنشاء كتلة ثقالية سالبة.

هذا هو بالضبط ما يتم العمل عليه في تجربة ALPHA في CERN. يعمل الباحثون هناك مع ذرات الهيدروجين المضاد المحاصرة ، نظير المادة المضادة للهيدروجين.

من خلال مقارنات دقيقة بين الهيدروجين والهيدروجين المضاد ، تأمل التجربة في دراسة التناظرات الأساسية بين المادة والمادة المضادة. في النهاية ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى قياس تسارع الجاذبية للمادة المضادة.

إذا وجد أن المادة المضادة تتسارع ، في وجود مجال الجاذبية على سطح الأرض ، بقيمة سالبة (على سبيل المثال ، قيمة أخرى غير +9.8 م / ث2) ، فإن هذا سيسمح نظريًا ببناء موصل جاذبية لحماية أنفسنا من قوة الجاذبية.

"إذا أصبحت حساسة بدرجة كافية ، فيمكننا بعد ذلك قياس اتجاه سقوطها في مجال الجاذبية. وإذا سقطت ، مثل المادة العادية ، فإن لها كتلة جاذبية موجبة ، ولا يمكننا استخدامها لبناء موصل جاذبية . ولكن إذا سقط في مجال الجاذبية ، فهذا يغير كل شيء. وبنتيجة تجريبية واحدة ، ستصبح الجاذبية الاصطناعية فجأة احتمالًا فيزيائيًا. " - فوربس.

إذا نجح ذلك ، فقد يفتح هذا أيضًا الباب أمام مكثف جاذبية لإنشاء مجال جاذبية اصطناعي موحد. حتى أنه يمكن ، من الناحية النظرية ، أن يسمح بإنشاء "محرك الاعوجاج" - طريقة لتشويه الزمكان.

"ولكن حتى نكتشف جسيمًا (أو مجموعة من الجسيمات) بكتلة جاذبية سالبة ، لن تتحقق الجاذبية الاصطناعية إلا من خلال التسارع ، بغض النظر عن مدى ذكائنا. - فوربس.


شاهد الفيديو: الجاذبية في المحطة الدولية (يونيو 2021).