موجات الجاذبية.. 6 أشياء تحتاج لمعرفتها

[الدربيل]

نك مارتن، عبد الرحمن عثمان (دويتشه ﭭيله) : نجح علماء أمريكيون بإثبات وجود موجات الجاذبية. حدث مثير، لأنهم تمكنوا وللمرة الأولى من البرهنة على صحة نظرية آينشتاين، التي وضعها قبل مائة عام. هنا أهم الحقائق عن الجاذبية.



ما هي موجات الجاذبية؟
تخيل أن تضع كرة تنس على ترامبولين، ستبقى الكرة في مكانها كما هي، لكن إذا وضعنا طفلا على الترامبولين، فسوف ينثني الترامبولين وينشأ "تجويف" مكان قدميه. وماذا سيحدث؟ سوف تتحرك كرة التنس باتجاه هذا التجويف الناجم عن الطفل. وكلما كان الطفل أقرب لكرة التنس، كلما تحركت الكرة أكثر باتجاه التجويف، لأنها تنجذب أكثر.

كلما زادت كتلة الجسم المتحرك، كلما زادت جاذبيته. هذه هي فكرة الجاذبية، وهكذا يمكن تصوّر موجات الجاذبية في الفضاء.

تنشأ موجات الجاذبية حين تتسارع الكتل ويُقذف بها بسرعة، مثلا في حال انفجار نجم أو الانفجار العظيم أو حين يندمج ثقبان أسودان مع بعضهما البعض. موجات الجاذبية تتمدد في المكان وتضغطه، وهي تؤثر على بنية الزمكان (الزمان – المكان). وكان عالم الفيزياء ألبرت آينشتاين قد وصف موجات الجاذبية قبل مائة عام في نظريته النسبية.


كلما زادت كتلة الجسم المتحرك، كلما زادت جاذبيته.

موجات الجاذبية تتمدد دون عوائق تماما في الكون، بغض النظر عما يعترض طريقها. وهذا ما يميزها عن الضوء أو الصوت. موجات الجاذبية هي "تشويه" للهندسة الرياضية وحتى للمكان نفسه. ومنذ وُضعت هذه النظرية قبل مائة عام، حاول العلماء إثباتها والبرهنة على صحتها. والآن، ولأول مرة نجحوا في ذلك.

لماذا هذا الحدث عظيم؟
وصف آينشتاين كيف تعمل موجات الجاذبية على سحب ودفع الزمكان، وكيف تتحرك الأجسام مثل الشموس النويترونية والثقوب السوداء في موجات الجاذبية. وحتى عهد قريب لم تتوفر تقنية تمكن للعلماء استخدامها لقياس هذه الظاهرة. والدليل على أهمية هذا الاكتشاف، أن العلماء باتت فرصهم كبيرة من الآن لنيل جائزة نوبل في الفيزياء.

لماذا لم يحدث الاكتشاف في السابق؟
لقد حاول علماء كثيرون إثبات وجود موجات الجاذبية في السابق، لكنهم لم يفلحوا أبدا. والسبب أن موجات الجاذبية من الصعب جداً العثور عليها وقياسها. ولقياس هذه الموجات لا بد من توفر مجسات فائقة الحساسية، لأن هذه الموجات وحين تصل الأرض، تصبح صغيرة جدا وأصغر ألف مرة من حجم نواة ذرة.

كيف يجري العلماء أبحاثهم على الموجات؟
في عام 1992 بنى الأمريكيون مجسي ليزر عملاقين يعملان بالليزر ويبعدان عن بعضهما البعض مسافة 3000 كيلومتر. وقد فشلت التجارب الأولى، لكن المجسات الحديثة هي أكثر حساسية بأربعة أضعاف من المجسات القديمة. ويعرف جهازا الليزر اللذان يعملان بالتزامن باسم "مرصد ليزر موجات الجاذبية التداخلي".

يوجد مجس في ولاية لويزيانا والآخر في ولاية واشنطن. ويوجد في كل منهما نفق طوله أربعة كيلومترات على شكل حرفL اللاتيني. ويطلق العلماء أشعة بالليزر بين المجسين واستطاع الجهازان رصد اهتزازات متناهية الصغر من مرور موجات الجاذبية. وقد أتاح وجود مجسا الرصد في مكانين مختلفين، ملاحظات للعلماء بشأن توقيت واتجاه موجات الجاذبية.



هل المرصد الأمريكي هو الوحيد الذي يبحث عن أدلة؟
هذا غير صحيح. فهناك أكثر من 70 منظمة علمية في العالم تحاول البرهنة على وجود موجات الجاذبية. ويعمل علماء ألمان في المرصدين الأمريكيين قاموا بتطوير كاشفٍ عن الموجات يمتاز بحساسيته العالية. ومؤخرا أطلقت وكالة الفضاء الأوروبية قمرا اصطناعيا، وربما يمكنه المساعدة في قياس التغيرات الدقيقة جدا في الفضاء.

ماذا سنستفيد من إثبات وجود موجات الجاذبية؟
إذا ما تأكد العلماء من وجود موجات الجاذبية حقا، فإن هذا قد يغير تماماً فهمنا للكون. وسيصبح العلماء حينها قادرين على فحص أكبر حدث في التاريخ ودراسة الانفجار الكبير. ويمكننا البحث في أقاصي الفضاء الخارجي. وموجات الجاذبية التي تكوّنت بعد الانفجار الكبير يمكنها أن تمدّنا بمعلومات جديدة عن كيفية تشكّل الكون. كما أنها الإثبات النهائي على صحة الجزء الأكثر غرابة في نظرية آينشتاين.

[بدرية خوجة مطواعي]

الدوحة، ليلى علي (الجزيرة) في السنوات الأخيرة، تمكن العلماء من التقاط نتيجة أخرى لنسبية أينشتاين، وهي موجات الجاذبية المنبعثة من دوران الأجسام الضخمة مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء حول بعضها بعضا.

نظرية أينشتاين في النسبية العامة أظهرت أن الجاذبية تنشأ من انحناء الزمكان (ناسا)

الجاذبية هي إحدى القوى الأساسية الأربعة في الكون، إلى جانب الكهرومغناطيسية والقوى النووية الضعيفة والقوية. وعلى الرغم من كونها مهمة بشكل كاف لمنع أقدامنا من الطيران بعيدا عن الأرض، تظل الجاذبية إلى حد كبير لغزا للعلماء.

حاول العلماء قديما تقديم تفسيراتهم لسقوط الأشياء على الأرض، فقد فسرها الفيلسوف اليوناني أرسطو، بأن للأجسام ميلا طبيعيا للتحرك نحو مركز الكون الذي كان يعتقد وقتئذ أنه وسط الأرض.

فيما بعد أدرك العالم نيكولا كوبرنيكوس أن مدارات الكواكب في السماء تكون منطقية أكثر إذا كانت الشمس هي مركز النظام الشمسي، وبالتالي تم استبعاد كون الأرض مركزا للكون. ومن ثم قام إسحق نيوتن، عالم الرياضيات والفيزيائي، بتوسيع نطاق رؤى كوبرنيكوس واستنتج أنه عندما تسحب الشمس الكواكب، تمارس جميع الأجسام قوة جذب على بعضها بعضا.

وفي أطروحته الشهيرة عام 1687، وصف نيوتن ما يعرف الآن بقانون الجاذبية الكونية، بأنه ينص على أن قوتَيْ التجاذب بين جسمين ماديين تتناسب طرديا مع حاصل ضرب كتلتيهما، وعكسيا مع مربع المسافة بين مركزيهما.

وعادة يتم كتابته كالتالي (F=G×(M1M2)/r2). حيث F هي قوة الجاذبية، وm1 وm2 هما كتلتا الجسمين وr هي المسافة بينهما. وG هي ثابت الجاذبية، ثابت أساسي يجب اكتشاف قيمته من خلال التجربة.



هل الجاذبية قوية للدرجة التي نعتقدها؟
تعد الجاذبية أضعف القوى الأساسية الأربعة، بدليل أن قضيب مغناطيسي واحد قادر على رفع مشبك ورق معدني لأعلى كهرومغناطيسيا، متغلبا على قوة الجاذبية الأرضية بأكملها، حسب علماء الفيزياء فإن الجاذبية أضعف من الكهرومغناطيسية بنسبة 10 ^ 40 (وهذا هو الرقم 1 متبوعا بـ 40 صفرا) .

لكن لماذا، من بين القوى الأساسية الجاذبية هي الأضعف؟ يعد تفسير ذلك تحديا عميقا لعلماء الفيزياء، وعلامة فارقة أساسية على طريق نظرية موحدة لجميع القوى، حيث إن توحيد القوى الأساسية الأربعة في نظرية واحدة حلم علمي طويل الأمد.

وبحسب تقرير لموقع "لايف ساينس" (Live Science) يرى العلماء أنه في حين أن تأثيرات الجاذبية يمكن رؤيتها بوضوح على مقياس أشياء مثل الكواكب والنجوم والمجرات، فإن قوة الجاذبية على الأشياء اليومية يصعب للغاية قياسها.

ووفقا لما جاء في دورية "بي إن إيه إس" (PNAS) العلمية، فإنه في عام 1798، أجرى الفيزيائي البريطاني هنري كافنديش (Henry Cavendish) واحدة من أولى التجارب عالية الدقة في العالم لمحاولة التحديد الدقيق لقيمة G، ثابت الجاذبية.

بنى كافنديش ما يعرف بميزان الالتواء، حيث قام بربط كرتين صغيرتين من الرصاص بنهايات عارضة معلقة أفقيا بسلك رفيع. وبالقرب من كل من الكرات الصغيرة، وضع ثقلا كرويا كبيرا من الرصاص. كانت كرات الرصاص الصغيرة تنجذب جاذبيتها إلى أوزان الرصاص الثقيلة، مما تسبب في التواء السلك قليلا فقط، مما سمح له بحساب قيمة G.

من اللافت للنظر، أن تقدير كافنديش لقيمة G كان يختلف فقط بنسبة 1٪ من قيمته المقبولة في العصر الحديث، التي تبلغ 6.674 × 10^−11 m^3/ kg^1 * s^2، وفقا لموقع لايف ساينس.

من المعروف أن معظم الثوابت الكونية الأخرى تتمتع بدقة أعلى بكثير، ولكن نظرا لضعف الجاذبية، يجب على العلماء تصميم معدات حساسة للغاية لمحاولة قياس آثارها؛ ولكن -حتى الآن- مازالت قيمة G الأكثر دقة تستعصي على أدواتهم.

صدام بين ثقبين أسودين يقتربان من بعضهما البعض ليشكلا دوامة عملاقة ويطلقا موجات الجاذبية (ويكيبيديا)

ثورة أينشتاين لفهم الجاذبية
وقد أحدث ألبرت أينشتاين، الثورة التالية في فهمنا للجاذبية، حيث أظهرت نظريته في النسبية العامة أن الجاذبية تنشأ من انحناء الزمكان (الزمان-مكان)، مما يعني أنه حتى أشعة الضوء، التي يجب أن تتبع هذا الانحناء، تنحني بواسطة أجسام ضخمة للغاية.

تم استخدام نظريات أينشتاين للتكهن بوجود الثقوب السوداء، وهي كيانات ذات كتلة كبيرة بحيث لا يمكن حتى للضوء الهروب من أسطحها. لذا، فإنه بالقرب من الثقب الأسود، لم يعد قانون الجذب العام لنيوتن يصف بدقة كيفية تحرك الأجسام، ولكن معادلات أينشتاين لها الأسبقية في ذلك.

اكتشف علماء الفلك منذ ذلك الحين ثقوبا سوداء حقيقية في الفضاء، حتى أنهم تمكنوا من التقاط صورة مفصلة للثقب الأسود الهائل الموجود في مركز مجرتنا. وشهدت تلسكوبات أخرى تأثيرات الثقوب السوداء في جميع أنحاء الكون.

يظل تطبيق قانون الجاذبية لنيوتن على الأجسام الخفيفة للغاية، مثل البشر والخلايا والذرات، نوعا من الحدود غير المدروسة؛ حيث يفترض الباحثون أن مثل هذه الكيانات يجب أن تجتذب بعضها البعض باستخدام نفس قواعد الجاذبية مثل الكواكب والنجوم، ولكن نظرا لضعف الجاذبية، فمن الصعب معرفة ذلك على وجه اليقين. ربما إذا تمكن العلماء من قياس قوى الجاذبية بدقة، سيكون من الممكن فهم الجوانب الخفية للكون.

بينما يحمل الضوء جسيما يسمى الفوتون، ليس لدى الفيزيائيين أي فكرة عما إذا كان هناك جسيم مكافئ للجاذبية (يوريك ألرت)

قوة دائمة من الغموض
تحير الجاذبية العلماء بطرق أخرى أيضا، بالنسبة لنظرية النمذجة القياسية لفيزياء الجسيمات، التي تصف تصرفات جميع الجسيمات والقوى المعروفة تقريبا، فإنها تتجاهل الجاذبية. بينما يحمل الضوء جسيما يسمى الفوتون، ليس لدى الفيزيائيين أي فكرة عما إذا كان هناك جسيم مكافئ للجاذبية، والذي يمكن أن يسمى الجرافيتون.

لا يزال الجمع بين الجاذبية في إطار نظري مع ميكانيكا الكم، مهمة غير مكتملة. وعلى الرغم من أن القوى الأساسية الثلاث الأخرى تتوافق مع ميكانيكا الكم (علم الأشياء الصغيرة جدا)، فإن الجاذبية تختلف كثيرا معها. إذ تنهار معادلات ميكانيكا الكم، إذا ما أضيفت الجاذبية إليها، وتعتبر كيفية التوفيق بين هذين الوصفين الدقيقين للكون من أكبر المعضلات الفيزيائية حاليا.

وعلى الجانب الآخر، ما زالت الجاذبية تستخدم للوصول إلى الاكتشافات الهائلة. في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي، أظهر عالما الفلك فيرا روبين وكينت فورد أن النجوم الموجودة على أطراف المجرات كانت تدور بسرعة أكبر مما ينبغي كما لو أن كتلة غير مرئية كانت تسحبها بقوة الجاذبية، ليتم تسليط الضوء بعد ذلك على مادة يسميها العلماء الآن "المادة المظلمة".

وفي السنوات الأخيرة، تمكن العلماء أيضا من التقاط نتيجة أخرى لنسبية أينشتاين، وهي موجات الجاذبية المنبعثة من دوران الأجسام الضخمة مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء حول بعضها بعضا.

ومنذ عام 2017، فتح مرصد موجات الجاذبية بالتداخل الليزري (LIGO) نافذة جديدة للكون من خلال اكتشاف الإشارة الخافتة للغاية لمثل هذه الأحداث. ويحاول العلماء البحث عن موجات الجاذبية لفهمها بشكل أكبر.

المصدر: لايف ساينس

[النبهان]

تعقيب: البرهنة على صحة نظرية آينشتاين، التي وضعها قبل مائة عام

ليس خطأ،،، بل هو مغالطة

أول من قال بالجاذبية الأرضية
هو العالم المسلم أبو القاسم عُبيد الله بن عبد الله بن أحمد ابن خُرداذبة (سنة 280هـ)،
في كتابه (المسالك والممالك).



وذلك قبل إسحاق نيوتن بأكثر من ثمانية قرون

وهذا نصه: "صفة الأرض أنها مدوَّرة كتدوير الكرة، موضوعة في جوف الفلك كالمُحَّة