من اكتشف الجاذبية؟
لقرون، كان العلماء والمفكرون مفتونين بالجاذبية، وبالقوة التي تتحكم في حركة الأجسام في الكون. في هذه المقالة، سوف نتعمق في الخلفية التاريخية للجاذبية، ونستكشف القوانين التي تحكمها، ونسلط الضوء على الشخصيات الرئيسية التي ساهمت في فهمنا لهذه القوة الأساسية.
المقدمة
الجاذبية هي قوة موجودة في كل مكان، وهي التي تربط نسيج الوجود، وتمارس تأثيرها العميق على تجاربنا اليومية وتنظم رقصة الكون المعقدة، للحفاظ على ثباتنا على الأرض لتمكن الأجرام السماوية من التفاعل، فالجاذبية لها تأثير عميق على عمليات الكون. ولكي يمكننا فهم هذه القوة، دعونا نغوص في رحلة عبر الزمن لكشف القصة الشيقة لاكتشاف الجاذبية.
فهم الجاذبية
ما هي الجاذبية؟
يمكن تعريف الجاذبية بأنها القوة التي تجذب الأجسام ذات الكتل تجاه بعضها البعض، كما أنها قوة غير مرئية ومنتشرة تؤثر على كل مادة في الكون، ومن دون الجاذبية ستتوقف الكواكب عن الدوران حول الشمس، ولن يكون للأجسام وزن.
من اكتشف الجاذبية؟
تم فهم مفهوم الجاذبية منذ عدة قرون، لكن الفضل في فهمه الرسمي وصياغته الرياضية يُنسب عمومًا إلى السير إسحاق نيوتن. نيوتن هو عالم فيزياء ورياضيات إنجليزي، قدم نظرية الجاذبية العامة في أواخر القرن السابع عشر.
نُشر عمله الرائد حول الجاذبية في كتابه الشهير “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية) في عام 1687. قوانين نيوتن للحركة وقانون الجاذبية العام قدموا شرحًا شاملًا لكيفية جذب الأجسام لبعضها البعض وكيف تعمل قوى الجاذبية.
خلفية تاريخية
يعود السعي لفهم الجاذبية إلى العصور القديمة، فقد فكرت الحضارات القديمة بما في ذلك اليونانيون والهنود والصينيون، في طبيعة الجاذبية وآثارها على العالم من حولهم، ومع ذلك لم تبدأ دراسة الجاذبية وفهمها بشكل منهجي إلا بعد الثورة العلمية.
قوانين نيوتن للحركة
قدم السير إسحاق نيوتن، عالم الفيزياء والرياضيات الإنجليزي، مساهمات كبيرة في فهمنا للجاذبية من خلال قوانينه الخاصة بالحركة. ووصفت قوانينه العلاقة بين حركة الأشياء والقوى التي تؤثر عليها.
لنلقي نظرة فاحصة على ثلاثة من قوانين نيوتن ذات الصلة بالجاذبية:
قانون نيوتن الأول للحركة – قانون القصور الذاتي أو العزم Law of Inertia.
إن قانون نيوتن الأول للحركة يعرف أيضًا باسم قانون القصور الذاتي أو العزم، ويعتبر مبدأً أساسيًا في فهم سلوك الأجسام المتحركة، ويوضح هذا القانون أن الجسم الثابت يظل ساكنًا، والجسم المتحرك يستمر في التحرك بسرعة ثابتة، ما لم يتأثر بقوة خارجية. وعند تطبيقه على عالم الكواكب الساحر التي تتجول بسلاسة في مداراتها، يكشف هذا القانون عن تفسير مثير لمسارها الثابت، ففي مساحات الفضاء الشاسعة، تلتزم هذه الكيانات السماوية بهذا القانون، إذ تبقى ثابتة في مساراتها الكونية ما لم تجبرها قوى هائلة أخرى على الانحراف، وإن رقصة الأجرام السماوية الأنيقة الموجّهة بمبادئ العزم، تثير شعورًا عميقًا من الإعجاب والدهشة ونحن نشهد التوازن الدقيق بين قوى الجاذبية والسعي الدؤوب لتحقيق التوازن الكوني.
قانون نيوتن الثاني للحركة – قانون التسارع
وفقًا لقانون نيوتن الثاني للحركة، فإن معدل التسارع الذي يتعرض له الجسم يرتبط ارتباطًا مباشرًا بمقدار قوة الجذب الصافية التي تؤثر عليه، بينما يرتبط ارتباطًا عكسيًا بكتلة الجسم. وفي حالة الجاذبية، يساعد هذا القانون على تفسير سبب تعرض الأجسام ذات كتل مختلفة لنفس التسارع عند السقوط بالقرب من سطح الأرض. إذ أن قوة الجاذبية المؤثرة على الجسم تعتمد على كتلته، ومع ذلك فإن التسارع الناتج عن الجاذبية يظل ثابتًا.
قانون نيوتن الثالث للحركة – قانون الفعل ورد الفعل
وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة، فإن لكل قوة فعل قوة رد فعل مساوي له في المقدار ومعاكسة له في الاتجاه. في سياق الجاذبية، يساعدنا هذا القانون على فهم أنه عندما يؤثر جسم بقوة جاذبيته على جسم آخر، فإن الجسم الثاني يتأثر بقوة جاذبية متساوية ومعاكسة على الجسم الأول. هذا القانون ضروري لوصف التفاعلات بين الأجرام السماوية وتأثيراتها التجاذبية.
قوانين الجاذبية
-قانون الجاذبية العام لنيوتن-
قانون الجاذبية العام لنيوتن هو مبدأ أساسي في الفيزياء، صاغه السير إسحاق نيوتن في عام 1687. يصف فيه قوة الجاذبية بين جسمين ذوي كتلة. وتتناسب قوة الجاذبية بين الجسمين بشكل مباشر مع حاصل ضرب كتلتيهما وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بين مراكزهما.
التمثيل الرياضي لقانون نيوتن للجاذبية العالمية هو كما يلي:
F = G * (m1 * m2)/r ^ 2
حيث:
- F هي قوة الجاذبية بين جسمين
- G هو ثابت الجاذبية (حوالي 6.67430 × 10 ^ -11 N (m/kg) ^ 2).
- m1 وm2 هما كتلتا الكائنين
- r هي المسافة بين مركزي الجسمين
ينص قانون الجاذبية العام على أن كل جسيم من جسيمات المادة يجذب كل جسيم آخر بقوة تتناسب بشكل مباشر مع ناتج كتلهما معًا، وتناسب عكسي مع مربع المسافة بينهما. هذا يعني أن الأجسام ذات الكتل الأكبر ستمارس قوة جاذبية أقوى على بعضها البعض، وزيادة المسافة بينهما سيضعف تلك الجاذبية.
لعب قانون الجاذبية العام لنيوتن دورًا حاسمًا في شرح حركة الأجرام السماوية، مثل الكواكب والأقمار، وقدم أساسًا نظريًا لفهم ديناميكيات النظام الشمسي، كما أنه كان بمثابة الأساس لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، والتي وسعت فهمنا للجاذبية وتأثيراتها على نسيج الزمكان.
النظرية النسبية العامة لأينشتاين
النظرية النسبية العامة التي صاغها ألبرت أينشتاين في عام 1915، هي نظرية الجاذبية، والتي وفرت فهمًا جديدًا لطبيعة المكان والزمان والجاذبية ذاتها، وتعتبر واحدة من أهم الإنجازات العلمية في مجال الفيزياء.
بُنيت هذه النظرية على النظرية السابقة للنسبية الخاصة، التي قدمها أينشتاين في عام 1905. في حين تعاملت النسبية الخاصة مع فيزياء الأجسام المتحركة بسرعات ثابتة، وتوسعت النسبية العامة لتشمل تأثيرات الجاذبية.
الفكرة الرئيسية من نظرية النسبية العامة هي أن الجاذبية ليست قوة بين الكتل، كما وصفتها فيزياء نيوتن، بل هي انحناء الزمكان الناجم عن وجود الكتلة والطاقة. بعبارة أخرى، تخلق الأجسام الضخمة مثل الكواكب والنجوم “انحناءًا” أو “تقعرًا” في نسيج الزمكان، وتتحرك الأجسام الأخرى على طول المسارات المنحنية التي يمليها هذا الانحناء.
فيما يلي بعض المفاهيم والتنبؤات الرئيسية للنسبية العامة:
- الزمكان Spacetime: تعتبر النظرية النسبية العامة (الزمكان) بمثابة سلسلة متصلة رباعية الأبعاد، إذ أن الفضاء يمثل الأبعاد الثلاثة والبعد الرابع هو الزمن، ويعتبر الزمكان غير ثابت ولكنه قابل للانحناء والتشوه بسبب وجود الكتلة والطاقة.
- انحناء الزمكان Curvature of Spacetime: تتسبب الكتلة والطاقة في انحناء الزمكان، على غرار كيف تتسبب الكرة الثقيلة الموضوعة على ورقة مطاطية ممدودة في انحناءها. انحناء الزمكان المعقد يحاكي النسيج الكوني بتعقيداته، وينظم الرقصة المتناغمة للأجسام السماوية المتشابكة داخل أحضانه.
- مبدأ التكافؤ Equivalence Principle: تتضمن النسبية العامة مبدأ التكافؤ، الذي ينصّ على أن آثار الجاذبية لا يمكن تمييزها عن آثار التسارع، ويعني هذا المبدأ أن المراقب لا يستطيع التمييز بين تواجده في حقل الجاذبية أو في إطار مرجعي متسارع.
- تمدد الزمن الثقالي بفعل الجاذبية Gravitational Time Dilation: تتنبأ النسبية العامة بأن الزمن يجري بشكل أبطأ في المناطق ذات حقول أقوى للجاذبية، وتحقق من ذلك تجريبيًا وله تطبيقات عملية، مثل تمدد الزمن الذي تشعر به أقمار نظام تحديد المواقع العالمي ال GPS.
- موجات الجاذبية Gravitational waves: تتنبأ نظرية النسبية العامة بوجود موجات الجاذبية، وهي تموجات في نسيج الزمكان ناتجة عن تسارع الكتل، واكتُشفت هذه الموجات لأول مرة بشكل مباشر في عام 2015، مؤكدة تنبؤات أينشتاين.
- عدسة الجاذبية Gravitational lensing: تتنبأ نظرية النسبية العامة بأن الجاذبية يمكن أن تعمل كعدسة، تحني مسار الضوء عندما يمر بالقرب من الكائنات الضخمة، وقد لوحظ هذا التأثير، ويستخدم في الفيزياء الفلكية لدراسة الأجرام البعيدة.
خضعت نظرية النسبية العامة لاختبارات مكثفة وأُكدت من خلال العديد من التجارب والملاحظات، وأصبحت أساسًا لفهمنا الحالي للجاذبية وأمرًا ضروريًا لوصف سلوك الأجسام الضخمة، وهيكل الكون وديناميكيات الثقوب السوداء والكون الواسع.
الاكتشافات والملاحظات المبكرة
نظريات أرسطو
في اليونان القديمة، طرح الفيلسوف أرسطو نظرياته حول الحركة والجاذبية. ووفقًا لأرسطو، فإن جميع الأجسام لديها “مكانًا طبيعيًا” في الكون، وأن هذه الأجسام تتحرك طبيعيًا نحو ذلك المكان بناءً على تركيبها العنصري. على الرغم من أن نظريات أرسطو كان لها تأثير على مدى قرون، إلاّ أنها لم تُشرح بدقة آليات الجاذبية.
تجارب جاليليو
في القرن السابع عشر أجرى العالم الإيطالي غاليليو غاليلي تجارب مبتكرة تتحدى المفاهيم السائدة حول الجاذبية. ومن خلال تجاربه المبتكرة، مثل إسقاط أجسام ذات كتل مختلفة من برج بيزا المائل، أظهر جاليليو أن الأجسام ذات الكتل المختلفة تسقط بنفس المعدل في الفراغ، مما يتعارض مع أفكار أرسطو، وأرست ملاحظاته الأساس لفهم التسارع الموحد للجاذبية.
ملاحظات تايكو براهي Tycho Brahe
قدم عالم الفلك الدنماركي تايكو براهي مساهمات كبيرة في فهمنا للكون، ومن خلال الرصد الدقيق لمواقع الأجرام السماوية، قدم براهي معلومات لا تقدر بثمن للعلماء اللاحقين، ويوهانس كبلر (Johannes Kepler) كان أحد هؤلاء العلماء الذي استخدموا ملاحظات براهي لصياغة قوانينه الخاصة بحركة الكواكب، مما ساهم بدوره في فهمنا للجاذبية.
الفهم الحديث للجاذبية
يستمر فهمنا للجاذبية في التطور مع التقدم في البحث العلمي والتكنولوجيا، ويدرس العلماء اليوم الجاذبية على مقاييس ميكروسكوبية، ويدرسون الظواهر مثل الثقوب السوداء وموجات الجاذبية، وطبيعة المادة المظلمة في الفضاء، ومن خلال التجارب والملاحظات المتطورة، نكتسب نظرة أعمق حول تعقيدات الجاذبية ودورها في تشكيل الكون.
الاستنتاجات
كان لاكتشاف وفهم الجاذبية رحلة رائعة امتدت لقرون، من الحضارات القديمة التي تفكرت في طبيعة الكون إلى المساهمات الرائدة لشخصيات مثل نيوتن وأينشتاين، وقد تعرض فهم البشر للجاذبية لتحولات عميقة. وقدمت قوانين نيوتن للحركة، بما في ذلك القصور الذاتي، وقانون التسارع، وقانون الفعل ورد الفعل، أساسًا متينًا لفهم آليات الجاذبية. بالاقتران مع قانون نيوتن للجاذبية العامة مع نظرية أينشتاين للنسبية العامة، حققنا تقدمًا كبيرًا في فكّ ألغاز هذه القوة الأساسية.
وبينما نستمر في استكشاف ألغاز الكون، تظل الجاذبية قوة أساسية يرتكز عليها عالمنا.
الأسئلة الشائعة
س 1: من اكتشف الجاذبية؟
في حين أن الجاذبية تمت دراستها من قبل العديد من العلماء على مرِّ التاريخ، إلاّ أن صياغة السير إسحاق نيوتن لقانون الجذب العام في القرن السابع عشر معترف به على نطاق واسع، بوصفه معلمًا مهمًا في فهمنا للجاذبية.
س 2: ما هي قوانين نيوتن للحركة؟
قوانين نيوتن للحركة هي ثلاثة مبادئ أساسية تصف العلاقة بين حركة الأجسام والقوى التي تؤثر عليه. وهي: قانون القصور الذاتي أو العزم، وقانون التسارع، وقانون الفعل ورد الفعل.
س 3: كيف ترتبط قوانين نيوتن للحركة بالجاذبية؟
توفر قوانين نيوتن للحركة إطارًا لفهم آليات الجاذبية، ويشرحون مفاهيم مثل سبب بقاء الأجسام في مداراتها ما لم تؤثر عليها قوى خارجية، ولماذا تسقط أجسام ذات الكتل المختلفة بنفس المعدل، وقوى الجاذبية المتساوية والمعاكسة بين الأجسام المتفاعلة.
س 4: ما هو قانون القصور الذاتي أو العزم؟
ينص قانون القصور الذاتي، المعروف أيضًا باسم قانون الحركة الأول لنيوتن، على أن الجسم الثابت سيظل ثابتًا والجسم المتحرك سيستمر في الحركة بسرعة ثابتة ما لم يتأثر بقوة خارجية.
س 5: كيف تؤثر قوانين نيوتن للحركة على حياتنا اليومية؟
قوانين نيوتن للحركة لها تطبيقات عملية في جوانب مختلفة من حياتنا، مثل النقل والرياضة والهندسة، فهي تساعدنا على فهم سلوك الأجسام المتحركة ونستعين بها عند تصميم المركبات والمباني وفي الأنشطة الرياضية.
س 6: هل قوة الجاذبية هي نفسها في كل مكان في الكون؟
وفقًا لفهمنا الحالي، يُعتقد أن قوة الجاذبية هي نفسها في كل مكان في الكون. ومع ذلك، يمكن أن تختلف قوة الجاذبية اعتمادًا على كتلة الأجسام المعنية والمسافات.
س 7: هل يمكن تفسير الجاذبية بميكانيكا الكمية؟
في حين أن ميكانيكا الكمية كانت ناجحة للغاية في وصف سلوك الجسيمات على المستوى المجهري، إلاّ أنها لم تتوافق تمامًا مع نظرية الجاذبية، ويواصل العلماء استكشاف توحيد ميكانيكا الكم والجاذبية، وهو بحث يُعرف باسم الجاذبية الكمومية.
س 8: ما هو دور الجاذبية في تكوين الأجرام السماوية؟
تلعب الجاذبية دورًا حاسمًا في تكوين الأجرام السماوية، مثل النجوم والكواكب والمجرات، لأن قوة الجاذبية تتسبب في تجميع المادة معًا وتشكيل الكتل، مما يؤدي إلى تكوين النجوم من سحب الغاز المنهارة وتجمع الكواكب من أقراص الكواكب الأولية (البروتوكوكوكبية).
س 9: هل يمكن إلغاء الجاذبية؟
الجاذبية هي قوة أساسية لا يمكن إلغاؤها بسهولة. في حين أن هناك ظروفًا معينة يمكن فيها تقليل آثار الجاذبية، مثل بيئات الجاذبية الصغرى (Microgravity Environments) أو من خلال استخدام التكنولوجيا المتقدمة، إلاّ أن إبطال تأثير الجاذبية تمامًا يفوق قدراتنا الحالية.
س 10: هل هناك نظريات أخرى تتجاوز تفسيرات نيوتن وأينشتاين للجاذبية؟
نعم، هناك نظريات بديلة للجاذبية اقتُرحت، مثل ديناميكيات نيوتن المعدلة (Modified Newtonian Dynamics -MOND)، ونظرية الحلقة الكمية للجاذبية (Loop Quantum Gravity)، ونظرية الأوتار (String Theory)، وتهدف هذه النظريات إلى معالجة بعض الظواهر أو القيود التي لم تُفسر بالكامل من خلال نظريات نيوتن أو أينشتاين، وتظل هذه النظريات موضوعًا للنقاش والبحث العلمي.
س 11: كيف تؤثر الجاذبية على الزمن؟
وفقًا لنظرية أينشتاين للنسبية العامة، يمكن أن تؤثر الجاذبية على تدفق الزمن، بوجود حقول جاذبية قوية يمكن أن يتباطأ الزمن مقارنة بالمناطق ذات حقول الجاذبية الأضعف، وتم رصد هذه الظاهرة المعروفة باسم تمدد الزمن، والتحقق منها من خلال التجارب والملاحظات.
س 12: هل يمكن خلق الجاذبية أو تدميرها؟
الجاذبية ليست شيئًا يمكن إنشاؤه أو تدميره. إنها قوة أساسية موجودة بسبب وجود الكتلة والطاقة، ومع ذلك، يمكن تغيير آثار الجاذبية أو التلاعب بها من خلال وسائل مختلفة، مثل تدريبات الجاذبية المساعدة للبعثات الفضائية أو انحناء الزمكان بواسطة أجسام ضخمة.
- ترجمة: منى اعجاز
- تدقيق لغوي: غفران التميمي
- المصادر: 1
