ما‌ ‌الجاذبية؟‌

بالكاد نفكر بها، ولكنها تنظم حياتنا. نحن ننمو في ظلها. عضلاتنا، وقلبنا، وأوعيتنا الدموية تعتمد عليها. إن الجاذبية تعني لنا كل شيء حرفيًّا.

فما هي الجاذبية بالضبط؟

الفكرة الأساسية

يرى الفيزيائيون أنّ الجاذبيّة هي إحدى القوى الأساسيّة الأربع التي تحكم الكون إلى جانب الكهرومغناطيسية والقوى النووية القوية والضعيفة. تُعرَّف القوة بأنها مؤثّر يؤثر في الأجسام مُسببًا تغيّرًا في حالة الجسم أو تجاهه أو موضعه أو حركته؛ لذلك فإن هذه القوى الأربع تفسّر كيف يتفاعل كل شيء في الكون من المجرّات إلى الكواركات داخل البروتون أو النيوترون.

الجاذبية هي أضعف هذه القوى، لكننا عرفناها أولًا.  فقد عرفنا منذُ قرونٍ أنّ أقدامنا ثابتة على الأرض وأنّ الكواكب تدور في مداراتٍ محددة حول الشمس. وقبل وصف الجاذبية رياضيًّا، تمكّن "يوهانس كيبلر" من صياغة قوانين دقيقة للتنبؤ بمسارات الكواكب.

لسوء الحظ لم يكن لدى أي أحد أدنى فكرة عن سبب دوران هذه الكواكب أصلًا. 

قانون نيوتن للجاذبية العالمية Newton’s law of universal gravitation

أدرك إسحاق نيوتن أنه يجب أن توجد قوة ما تؤثّر في الكواكب والشمس، وحدّد أيضًا مفهوم القوة، وتوصّل رياضيًا إلى معادلةٍ ثوريّة لوصف سلوك هذه القوة.

F = Gm1m2 / r^2

تخبرنا هذه المعادلة بأنّ الجاذبيّة هي قوة يمارسها جسمان على بعضهما البعض؛ لأن كل منهما يمتلك كتلة فحسب. تتناسب شدّة القوة (F) طردًا مع كتل الجسمين (m1 و m2) وعكسًا مع مربع المسافة بينهما r. أما G فهو ثابت يقيس الشدّة الأساسيّة للقوة.

خلاصة المعادلة: كلما زادت ضخامة الأجسام ازدادت قوة التجاذب بينها، ولكن كلما ابتعدت عن بعضها البعض تناقصت قوة الجذب.

دعنا نتأمل الأسطورة المرتبطة باكتشاف نيوتن للجاذبية: سقوط تفاحة من شجرة. يخبرنا قانون نيوتن للجاذبيّة العالميّة أنّ الجذب لا يقتصر على جذب الأرض للتفاحة فحسب، بل تجذب التفاحة أيضًا الأرض. لكن تحريك كتلة الأرض الهائلة يحتاج إلى قدر أكبر من القوة؛ لذلك فإن التفاحة تسقط بينما تظل الأرض بلا حراك.

ينطبق المبدأ نفسه على نطاقٍ واسع. كل الأجسام في الكون تجذب بعضها البعض، لكن كلما كانت أقرب وأكثر كثافة زادت قوة جاذبيتها.

اعتمادًا على هذه المعادلة، يمكننا وصف جميع مظاهر الجاذبيّة على الأرض، إضافةً إلى حركة الكواكب والمذنبات والأقمار. يفسّر هذا أيضًا لماذا تتجمع النجوم في المجرات، ولماذا تتحد المجرات في مجموعات.

لكن هذه المعادلة لا تصف كل شيء وصفًا مثاليًّا، فهي لا تصف مثلًا التغييرات التدريجية في مدار عطارد حول الشمس. وكما تساءل نيوتن نفسه، علينا أن نسأل أنفسنا كيف يمكن لقوة الجاذبيّة أن تعمل فوريًا على بعد مسافة ما خلال الفضاء الخالي؟

نظرية أينشتاين للنسبية العامة

يعد الفضاء مكانًا فارغًا ومسطحًا في عالم نيوتن تسبح فيه النجوم والكواكب، لكن أينشتاين كان له رأي مختلف.

في أحد أهم الإنجازات العلميّة للقرن العشرين، أظهر أينشتاين وأستاذه السابق هيرمان مينكوفسكي أنّ المكان والزمان ليسا كيانين منفصلين، بل يشكلان شبكة متّصلة رباعيّة الأبعاد تمتد عبر الكون مثل النسيج.

فكّر أينشتاين، وتوصّل إلى أنّ أي كائنٍ يمتلك كتلة يتفاعل مع نسيج الزمكان ويسبب تغيّرًا فيه. تخيل نسيج الزمكان شيئًا يشبه الترامبولين، كرة البولينج الموضوعة في الوسط من شأنها أن تحني النسيج وتشكّل ما يشبه بئرًا على سطح الترامبولين. إذا وضعت بعد ذلك كرة أخرى بالقرب من كرة البولينج، فسوف تتدحرج حول البئر إذ تُسحَب إلى داخل البئر، مثلما تدور الأرض حول الشمس.

لذلك تصف نظرية أينشتاين للنسبية العامة الجاذبيّة بأنها ليست مجرد قوة، بل هي انحناء نسيج الزمكان بسبب المادة.

على عكس نظرية نيوتن، فإن النسبيّة العامة نجحت في وصف مدار عطارد المتغير وصفًا صحيحًا بوساطة الأخذ في الحسبان الاضطرابات التي تُحدثها كتلة الشمس في نسيج الزمكان.

منذ أن نشر أينشتاين نظريته في عام 1915 توصلنا إلى مجموعة ضخمة من الأدلة والملاحظات والأرصاد التي تدعمها بقوة. فهي تصف وصفًا دقيقًا انحناء الضوء حول الشمس، وانحناءه حول عناقيد المجرات البعيدة.  فنظرًا إلى كتلتها الضخمة فإنها تحني نسيج الزمكان؛ ما يُجبر الضوء على الانحناء أيضًا في أثناء المرور عبر هذا النسيج.

انحناء الضوء حول ثقب أسود:

قدم اكتشاف أمواج الجاذبيّة في الآونة الأخيرة دليلًا قويًا مذهلًا على أن الأجسام الضخمة لا تشوه الزمكان فحسب، بل يمكنها أيضًا خلق تموجات فيه عندما يصطدم جسمان مثل الثقوب السوداء بعنف.

ومع ذلك يبقى هناك لغزٌ آخر هو أن الجاذبية قد تكون إحدى القوى الأساسية للكون، لكنها تبدو حاليًا غير متوافقة تمامًا مع القوى الأخرى.

سعى الفيزيائيون قبل أينشتاين إلى صياغة نظرية واحدة تربط جوانب الكون المادية كلها شاملةً القوى الأساسية والجزيئات. إن "نظرية كل شيء" قد تكون الإنجاز الأهم في تاريخ الفيزياء.

وفي حين نجحت نظرية المجال الكمي (QFT) في الجمع بين الكهرومغناطيسية والقوى النووية القوية والضعيفة، إلا أنها تكافح للتوافق مع النسبية العامة. قضى أينشتاين النصف الثاني من مسيرته العلمية في محاولة ربط الجاذبية مع بقية القوى، لكنه لم ينجح. إن ربط الفيزياء الكمية مع النسبية العامة في إطار نظريّ واحد هو أمرٌ طور البحث؛ ما أدى إلى ظهور نظرياتٍ جديدة مثل الجاذبية الكمومية، ونظرية الأوتار، ونظرية M، وأكثر من ذلك.

تبدو هذه المحاولات في عالمٍ بعيد عن نيوتن وتفاحته، لكنها تطمح إلى الوصول إلى أنموذج مصغر للعلم كله. أحيانًا يكون الكون أكثر تعقيدًا وأكثر إثارة للاهتمام أكثر مما كان يعتقد في البداية.

المصادر:

هنا