Home   |  تماس با ما و ارسال مطالب |  پروژه‌ها  | نرم‌افزارهاي مورد نياز |

 

 

01-04-2023

 

چگونگی پدیدارشدن میدان گرانش منفی [نیروی ضد جاذبه، انرژی تاریک، توجیه حرکت شتاب‌دار کهکشان‌ها در کیهان] ، وارونگی میدان گرانشی

 

 

قانون جهانی گرانش: اگر پرتابه‌ای با سرعت زیاد، از یک ارتفاع نسبتاً زیاد از سطح سیاره زمین در امتداد مماس بر دایره‌ای به مرکزیت سیاره زمین پرتاب شود، تحت‌تأثیر گرانش، مسیری منحنی‌شکل را طی می‌کند و سرانجام بر روی سطح زمین سقوط خواهد کرد. اگر سرعت پرتابه به‌اندازه کافی زیاد باشد، می‌تواند یک دایره کامل را حول زمین طی کند و دور زمین بچرخد؛ یعنی شکل زیر :

 

 

اینک اگر پرتابه را ثابت فرض کرده و سیاره زمین را با همان سرعت زاویه‌ای پرتابه دوران دهیم چه اتفاقی روی می‌دهد؟

مسلماً به استناد نظریات نسبیت، چون قوانین فیزیکی در تمامی دستگاه‌های لخت یکسان است، پس فرقی نمی‌کند که پرتابه به‌دور سیاره زمین بچرخد یا سیاره زمین با همان سرعت زاویه‌ای دوران داشته باشد و پرتابه ثابت بماند، یعنی مشاهدات انجام شده توسط ناظرین واقع در سطح زمین و یا مدار پرتابه یکسان خواهد بود، در هر دو حالت پرتابه به شرایط بی‌وزنی می‌رسد و هیچگاه به سطح سیاره زمین سقوط نخواهد کرد.

از چهار چوب مرجع موضعی ساعت آبی رنگ، ساعت قرمز رنگ متحرک کند تر تیک تاک میکند.

از طرفی مابین جرم گرانشی و جرم اینرسی هم ارزی وجود دارد، چون آثار گرانش با آثار شتاب یکی است و ما در این حالت همواره نیرو یا شتاب جانب مرکز خواهیم داشت. به‌هرحال چنین تصور می‌شود که اگر مشاهدات دو ناظر در دو دستگاه لخت و یا حتی شتاب‌دار مشابه یکدیگر بود، آن دو دستگاه همواره در مورد گرانش هم ارز خواهند بود و قوانین فیزیکی یکسان رفتار خواهند کرد.

این مدار در شکل فوق به رنگ قرمز مشخص شده است و اگر فاصله پرتابه با سطح سیاره زمین کمتر شود، به‌مرورزمان پرتابه به سطح سیاره زمین سقوط خواهد کرد، این منطقه به رنگ صورتی روشن نشان‌داده‌شده که منطقه گرانش مثبت نام‌گذاری می‌شود و اگر فاصله پرتابه با سطح سیاره زمین زیادتر شود، به‌مرورزمان پرتابه از سطح سیاره زمین دور (دفع) خواهد شد، این منطقه به رنگ زرد روشن نشان داده می‌شود که منطقه گرانش منفی نام‌گذاری می‌شود. البته ناگفته نماند که اگر سیاره زمین را در حال دوران با سرعت زاویه‌ای پرتابه در نظر بگیریم این دو منطقه، شامل تمامی اجرام حاضر خواهد بود و اگر پرتابه را در حال چرخش به‌دور سیاره زمین در نظر بگیریم، این دو منطقه فقط شامل پرتابه خواهد شد. حالت دیگری هم وجود دارد؛ یعنی سرعت زاویه‌ای پرتابه یا سیاره زمین بیشتر از حد لزوم باشد که در این صورت پرتابه ابتدابه‌ساکن از طرف سیاره زمین دفع و پرتاب می‌شود؛ یعنی شکل زیر:

 

 

توجیه حرکت شتاب‌دار کهکشان‌ها در کیهان :

سرعت حرکت خطی بعضی از اجرام سماوی در جوار هسته کهکشان‌ها چیزی در حدود ۸ درصد سرعت نور اندازه‌گیری شده است. در این وضعیت می‌توان پیش‌بینی کرد که تمامی اجرام خارج از هسته کهکشان در محدوده گرانش مثبت کهکشان بوده و در کناره‌های بیرونی لبه کهکشان، گرانش صفر و در خارج از این محدوده گرانش منفی است. یعنی تمام کهکشان‌ها در خارج از محدوده گرانش مثبت و سفر خود، نیروی ضد جاذبه یا گرانش منفی دارند که به‌وسیله این نیرو می‌توانند به حرکت و سرعت شتاب‌داری در کیهان دست یابند. این همان چیزی است که انرژی تاریک نام‌گرفته است و تا به امروز از ماهیت آن بی‌اطلاع بوده‌ایم. لازم به توضیح است که از زمان نیوتن برخی از فیزیک‌دانان اعتقاد داشتند که در مقابل گرانش که یک نیروی جاذبه است و می‌بایست موجب فروریزش جهان شود، یک نیروی دافعه وجود دارد که مانع درهم ریختن جهان می‌شود و جهان پایدار باقی می‌ماند. درهرصورت نه مخالفین جهان پایدار برای ادعای خود دلیل داشتند و نه طرف‌داران آن می‌توانستند آن را اثبات کنند. این نیروی دافعه‌ای گرانشی، برون کهکشانی است و مربوط به داخل کهکشان نمی‌شود .در مباحث بعدی با حساب دیفرانسیل معادلات این نیروی ناشناخته را فرمول‌بندی خواهیم کرد.

 

 

البته تصور این پدیده تازه شناخته شده برای ما بسیار دشوار می‌نماید، برای اینکه ما از گرانش توقع نیروی جاذبه داریم و نه دافعه ولی این پدیده نو شناخته را می‌توان هم با قوانین جهانی گرانش و هم با نظریات نسبیت  عام و صدالبته مکانیک کوانتومی توجیه نمود.

اینک سعی می‌کنیم با فرمولیزه کردن روابط فیزیکی، ادعای خود مبنی بر وجود میدان گرانش منفی (نیروی ضد جاذبه) را به ثبوت برسانیم:

 

همانطور كه ميدانيم در معادلات فوق f نيروی جانب مركز ( گريز از مركز ) پرتابه ، m جرم پرتابه ، v سرعت خطی پرتابه روی مدار ، r شعاع مدار يا فاصله پرتابه از مركز میدان جاذبه ( سياره زمين ) ، F نيروی جاذبه مابين مركز جاذبه زمين و پرتابه ، G ثابت جهانی گرانش ، M جرم مركز گرانش ( سياره زمين ) ميباشد . اينك برای اينكه پرتابه به دور مركز جاذبه چرخش دايمی داشته باشد ، ميبايست F=f شود ، كه در اين رابطه فاصله r و سرعت v قابل محاسبه خواهد بود . اينك پرتابه را ثابت فرض كرده و مركز جاذبه را با همان سرعت زاويه‌ای پرتابه دوران مي‌دهيم . برای پيدا كردن روابط فيزيكی ميبايست به جای سرعت خطی پرتابه ، سرعت زاويه‌ای مركز جاذبه را وارد معادله نماييم ، همانطور كه ميدانيم :

v=ωr

كه ω همان سرعت زاويه ای ( راديان بر ثانيه - 2pi/s ) ميباشد :

نکته شگفت‌انگیز در این معادلات این است که ω  يا سرعت زاویه‌ای می‌تواند هم مثبت و هم منفی باشد، یعنی دوران مرکز جاذبه در دید ناظر یا ناظرین ساعت‌گرد و یا پادساعت‌گرد باشد . ولی شعاع یا فاصله پرتابه و مرکز جاذبه همواره مثبت بوده و کسی نمی‌تواند به استناد این فرمول‌ها مدعی طول یا بعد منفی در عالمی خیالی دیگر شود (ضد عالم یا ضد دنیا، ابعاد منفی و...). در واقع این فرمول‌ها وجود سفید چاله‌ها و امکان ورود به دنیای دیگر را نفی و منتفی می‌کند . 

 

طرح یک مسئله فیزیکی بسیار مهم مربوط به اخترفیزیک :

جرم نوترونی داریم به جرم پنج برابر جرم خورشید، اگر سرعت زاویه‌ای این جرم ۵۰۰ رادیان بر ثانیه باشد :

۱-  محدوده میدان گرانش مثبت

۲-  مرز میدان گرانش صفر

۳-  برد میدان گرانش منفی پیرامون آن را مشخص کنید؟

 

 

جواب :

۱- محدوده میدان گرانش مثبت جرم نوترونی، کمتر از شعاع ۴۰٫۶۶۸ کیلومتری

۲- مرز میدان گرانش صفر ، مدار ۴۰٫۶۶۸ کیلومتری

۳- برد میدان گرانش منفی ، از شعاع ۴۰٫۶۶۸ کیلومتری تا بی‌نهایت است. در واقع برد میدان گرانشی این سیاه‌چاله بی‌نهایت است؛ ولی شتاب گرانشی آن بعد از شعاع ۴۰٫۶۶۸ کیلومتری منفی خواهد بود. این شتاب گرانش منفی سیاه‌چاله می‌تواند به خود آن شتاب و سرعت ببخشد، تا به امروز سیاه‌چاله‌هایی با سرعت ۴۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه شناسایی و ردیابی شده‌اند .

این مسائل برای اولین‌بار در علم فیزیک ما حل‌وفصل می‌شوند و اینک ما می‌توانیم به‌راحتی متوجه سه مسئله مهم شویم .

 

۱-  چرا تمامی اجرام فعلاً به کام سیاه‌چاله‌ها فرونمی‌روند (کشیده نمی‌شوند)؟

۲-  علت اصلی توسعه شتاب‌دار كیهان چیست؟

۳- جهت توجیه توسعه عالم هیچ نیازی جهت ارائه و پذیرش نظریه انفجار بزرگ نیست، برای اینکه این توسعه به‌راحتی قابل‌توجیه است! (نیازی به نیرو و انرژی اولیه نداریم)

 

 

g شتاب گرانشی ، +g شتاب گرانشی میدان جاذبه و -g شتاب منفی ناشی از نیروی جانب مرکز (گریزازمرکز) است . gf تفاضل این دو شتاب و در نتیجه شتاب نهایی است که اگر مثبت بود، میدان گرانشی مثبت است؛ ولی اگر منفی بود، میدان گرانشی منفی بوده و جاذبه به ضد جاذبه تبدیل خواهد شد.

 

 

نمودار فوق مربوط به مثال قبلی می‌شود. منحنی سبزرنگ مربوط به کاهش شتاب گرانشی و خط‌قرمز مربوط به افزایش شتاب گرانشی به نسبت افزایش فاصله از مرکز میدان را نشان می‌دهد. منحنی و نیم‌خط آبی تفاضل آن دو را نشان می‌دهد .

 

برسی موضوع از دیدگاه نسبت عام :

اگر ما هر نقطه واقع در میدان گرانشی پیرامون مرکز گرانش را در نظر بگیریم، می‌توانیم برای این مکان و یا نقطه خاص، مقداری انرژی تصور کنیم که به تانسور ضربه - انرژی یا تکانه - انرژی معروف است:

 

 

 

و همان‌طور که می‌دانیم انرژی و جرم هم ارز هستند، پس می‌توانیم معادل جرمی این انرژی را حساب کنیم:

 

 

E انرژی ، m جرم ، c سرعت نور ، Ef انرژی میدان گرانشی در هر نقطه مفروض و mf جرم معادل انرژی میدان گرانشی در هر نقطه مفروض است. مسلماً این جرم ناشی از میدان گرانشی با دوران مرکز گرانش به چرخش درآمده و صدالبته نیروی گریزازمرکز پیدا خواهد کرد که برای فرمولیزه کردن روابط، از همان روش قبلی استفاده می‌کنیم:

 

 

و در نهایت به همان نتایج قبلی می‌رسیم. اینک می‌توانیم جرم معادل انرژی پتانسیل گرانشی را نیز حساب کنیم که از قرار زیر است:

 

 

 

برسی موضوع از دیدگاه مکانیک کوانتومی :

همان‌طور که می‌دانیم در مکانیک کوانتومی، فوتون بوزون میدان الکترومغناطیس فرض می‌شود که هم انرژی و هم جرم دارد که مسلماً با داشتن سرعت انتقال c ، تکانه هم خواهد داشت. اینک اگر فرض کنیم که نظریه مکانیک کوانتومی در مورد ذره‌ای بودن میدان گرانشی درست بوده باشد و ذرات حامل این نیرو و یا انرژی میدان گرانشی، بوزون گراویتون باشد، مسلماً این گراویتون‌ها تحت شرایطی معادل انرژی خود جرم و تکانه خواهند داشت و با دوران مرکز میدان گرانشی، شروع به چرخش مارپیچی و یا دایره‌ای کرده و با افزایش شعاع و محیط میدان گرانشی (مدار چرخش گراویتون‌ها) بر سرعت خطی آنها افزوده شده که در نتیجه نیروی گریزازمرکز هم افزایش پیدا خواهد کرد و در نهایت جهت بردار اعمال نیروی گرانشی گراویتون‌ها (بردار نیروی میدان گرانش) برعکس شده و گرانش به گرانش منفی و جاذبه به ضد جاذبه تبدیل یا تغییر پیدا می‌کند. به طور خلاصه نیروی جاذبه به‌طرف مرکز جاذبه (مرکز ثقل جرم ثقیل)، تبدیل به نیروی گریز یا خروج از مرکز خواهد شد که مسلماً در پیداکردن روابط فیزیکی به همان معادلات قبلی خواهیم رسید. برای اینکه در این معادلات جرم پرتابه و یا گراویتون و... از دو طرف معادله حذف می‌شود.

 

 

مارپیچ‌های آبی جهت اعمال نیروی گرانش مثبت مرکزگرا و دایره قرمز جهت اعمال نیروی گرانش صفر خنثی و منحنی‌های بنفش‌رنگ جهت اعمال نیروی گرانش منفی خارج مرکز توسط گراویتون‌های فرضی را نشان می‌دهد .

 

یک "لنز کهکشانی" آشکار کرده است که جهان احتمالاً برای همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد.

منجمان با بررسی نوری که توسط یک خوشه کهکشانی عظیم به اسم "آبل 1689" (Abell 1689) دچار اعوجاج شده بود سعی کردند میزان انرژی تاریک موجود در کیهان را رقم بزنند. انرژی تاریک یک نیروی اسرارآمیز است که انبساط جهان را تسریع می‌کند. درک نحوه توزیع این نیرو آشکار کرد که سرنوشت احتمالی جهان این است که برای همیشه به انبساط خود ادامه دهد. محققان می‌گویند که جهان در نهایت به مرده زاری سرد بدل خواهد شد. نتایج این مطالعه که توسط یک تیم بین‌المللی تحت هدایت پروفسور اریک جولو از آزمایشگاه رانش جت ناسا در کالیفرنیا انجام شده در نشریه "ساینس" چاپ شده است. انرژی تاریک سه‌چهارم کیهان را تشکیل می‌دهد؛ اما کاملاً غیرقابل‌رویت است. دانشمندان وجود آن را باتوجه‌به منبسط‌شدن جهان استنباط می‌کنند. ستاره‌شناسان برای درک چگونگی توزیع انرژی تاریک در جهان، از تلسکوپ فضایی هابل استفاده کردند. آنها به بررسی نوع اعوجاج نور ستارگان دوردست توسط خوشه آبل ۱۶۸۹ پرداختند. این یک خوشه نسبتاً نزدیک به محل ما در جهان است. آبل ۱۶۸۹ که در صورت فلکی ویرگو (سنبله) قرار دارد یکی از بزرگ‌ترین خوشه‌های کهکشانی شناخته شده است. این خوشه به دلیل جرم عظیم آن مثل یک ذره‌بین عمل می‌کند و نور در اطراف آن خم می‌شود. سه عامل در نوع اعوجاج نور توسط این لنز آسمانی مؤثر است: فاصله شیئی که منبع نور است؛ جرم آبل ۱۶۸۹، و توزیع انرژی تاریک. منجمان توانستند دو عامل اول را با استفاده از تلسکوپ "وی ال تی" اروپا که در شیلی مستقر است اندازه بگیرند که امکان محاسبه عامل سوم را فراهم کرد. آنها با آگاهی از نحوه توزیع انرژی تاریک به این نتیجه رسیدند که جهان برای همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد. با نزدیک‌شدن دما به آنچه دانشمندان "صفر مطلق" می‌خوانند جهان به جایی سرد و مرده بدل خواهد شد. پروفسور پریاموادا ناتاراجان از دانشگاه ییل، از کیهان‌شناسان ممتاز در این مطالعه، گفت که این یافته‌ها بالاخره ثابت کرد که "سرنوشت جهان دقیقاً چه خواهد بود."

منبع:

 

http://www.bbc.co.uk/persian/science/2010/08/100820_u04_universe_expanding.shtml

 

 

محمدرضا طباطبایی    10/4/87

https://www.ki2100.com