مفاهیم کلیدی
فیزیک/ جرم/ جاذبه زمین/ فضازمان

مقدمه

آیا کلماتی مثل نسبیت عام، چاه گرانشی، فضا-زمان، به نظر ترسناک می آیند؟ نگران نباشید برای درک این مفاهیم لازم نیست آلبرت آینشتاین باشید! این فعالیت جذاب را با استفاده از مواد معمولی خانگی امتحان کنید تا با این مفاهیم و سیاه‌چاله‌ها آشنا شوید.

پیش زمینه:

ما همیشه گرانش را تجربه می کنیم. این یک بخش منظم زندگی ما است که ممکن است در مورد آن خیلی فکر نکنیم. گرانش ما را روی زمین نگه می‌دارد تا در فضا شناور نشویم. اگر ما توپی را به بالا بیندازیم توپ به زمین برمیگردد. خیلی ساده است، اینطور نیست؟

در مکانیک نیوتنی، گرانش به عنوان نیرویی بین دو جسم توصیف می‌شود که آنها را با هم ترکیب میکند.

از لحاظ فنی، هر جسم دارای جرمی، نیروی گرانشی به اجسام دیگر وارد می‌کند. با این حال، این نیرو بین اجسام معمولا برای ما خیلی کوچک است. یا حتی برای اجسام بزرگ مثل ماشین ها یا ساختمان‌ها برای مثال، شما هرگز کشش گرانشی از طرف شخصی که کنار شما ایستاده است را احساس  نمی‌کنید. ما فقط نیروی گرانش اجسام پر جرم مثل زمین را احساس می کنیم.

نظریه نسبیت عام آینشتاین گرانش را کمی متفاوت توصیف می‌کند. ابتدا فضا و زمان را پیوسته در نظر گرفته و به آن فضازمان می گوید. (اگر یک فضای ۳بعدی در نظر بگیرید که یک بعد دیگر، زمان را به آن اضافه کنید حالا یه فضای ۴بعدی دارید). نسبیت عام بیان می‌کند که این فضازمان ۴بعدی به وسیله ی یک جرم خمیده می‌شود. جرم‌های بزرگ مثل کره زمین باعث به وجود آمدن خمیدگی های زیادی در فضازمان می‌شوند، درحالی که جرم‌های کوچک، مانند بدن‌های ما، به سختی فضا زمان را خمیده می‌کنند. اگر کمی گیج کننده به‌نظر می‌رسد این فعالیت به شما در درک این مفهوم کمک می‌کند.

 

 

 

 

اگرچه گرانش زمین بسیار قوی است؛ اما ما می‌توانیم سفینه و موشک‌هایی بسازیم که از آن فرار و به سمت منظومه شمسی پرواز کنند. ما همچنین می‌توانیم امواج الکترومغناطیس مانند نور و امواج رادیویی را به سمت فضا ارسال کنیم. یک سیاه چاله، جسمی در فضا با جرم بسیار زیاد و گرانشی بشدت قوی است بطوریکه تقریبا هیچ چیز نمی‌تواند از آن فرار کند-حتی نور! هرچیزی که به آن نزدیک شود (درون منطقه‌ای به نام افق رویداد) به درون آن کشیده می‌شود.

شاید متعجب شوید اخترشناسان چگونه از وجود آن با اطلاعند؟ اگر نور نمی‌تواند از آن فرار کند (به این معنی که آنها نوری منتشر یا بازتاب نمی‌کنند) پس چگونه ما آنها را می‌بینیم؟ دانشمندان می‌دانند سیاه چاله ها وجود دارند زیرا ما می‌توانیم اثرات آنها را بر روی دیگر اجرام آسمانی مانند ستارگان مشاهده کنیم. برای مثال، یک مدار ستاره ای ممکن است تحت تاثیر گرانش یک سیاه چاله قرار بگیرد و ما مشاهده کنیم که جرم ستاره به داخل سیاه چاله مکیده می‌شود (قبل از اینکه پشت افق رویداد ناپدید شود).

 

در این فعالیت، شما با استفاده از برخی مواد خانگی ساده نشان خواهید داد که چگونه اجسام با جرم زیاد مانند یک سیاه چاله فضازمان را خمیده می‌کنند و چه تاثیری بر اجسام نزدیک خود می‌گذارند.

مواد لازم:

  • پارچه کشباف، مانند تی شرت پلی استر (پنبه نباشد) یا یک باند ورزشی بزرگ
  • یک جسم گرد و سنگین مانند سیب، پرتقال یا توپ بیلیارد
  • دو تیله یا توپ پینگ پونگ
  • دو دستیار
  • ماژیک و خط کش (اختیاری)

 

آماده سازی:

  • اگر از باند ورزشی استفاده می کنید، قطعه مستطیلی بزرگی را از آن ببرید.
  • دو دستیارتان گوشه های پارچه را بگیرند و آن را محکم بکشند بطوریکه که پارچه صاف شود. این پارچه نمایانگر فضازمان است.

 

روش:

  • یک تیله را روی پارچه قرار دهید و آن را مشاهده کنید چه اتفاقی می افتد؟
  • اکنون تیله را در سرار پارچه بغلتانید و حرکت آن را تماشا کنید چه اتفاقی می افتد؟

  • شی سنگین و گرد خود را در وسط پارچه قرار دهید. اطمینان  حاصل کنید که دستیارانتان هنوز پارچه را به اندازه کافی محکم نگه داشته‌اند که هیچ گونه چین و چروک و لرزشی نداشته باشد – سعی کنید که آن را تا حد امکان صاف نگه دارید. چه اتفاقی برای پارچه می افتد؟
  • بعد تیله را در نزدیکی لبه پارچه قرار دهید و آن را رها کنید. چه اتفاقی می افتد؟
  • اکنون سعی کنید تیله را از یک طرف پارچه به طرف دیگر بچرخانید. دشوار است؟  شکل مسیر حرکت تیله چگونه است؟
  • سعی کنید تیله را در طول پارچه با سرعت های مختلفی بچرخانید. اگر تیله را آرام بچرخانید چه اتفاقی می افتد؟ سریع چطور؟ شکل مسیر حرکت چگونه تغییر میکند؟ آیا به یک سرعت کمینه ای بر ای جلوگیری از مکیده شدن توسط توپ بزرگتر احتیاج دارید؟
  • سعی کنید این‌بار ۲ تیله را همزمان بچرخانید، آیا تیله ها بر حرکت یکدیگر تاثیر می‌گذارند(با فرض اینکه برخورد نکنند)؟

 

 

 

فراتر: اگر می‌توانید بر روی پارچه خود نقاشی کنید، آن را بر روی میز صافی قرار دهید. با استفاده از ماژیک و خط کش شبکه‌ی مربعی بر روی آن بکشید. شبکه باید شامل خطوطی باشد که یکدیگر را در زوایای راست قطع کنند. اکنون فعالیت را تکرار کنید. چه اتفاقی برای شبکه می افتد؟

مشاهدات و نتایج:

  • شما ممکن است فکر کنید نتایج این فعالیت از ابتدا واضح بود. هنگامی که پارچه را به صورت مسطح نگه داشتید و بر روی آن تیله را قرار دادید، تیله حرکت نمی‌کرد. زمانی که شما تیله را بر روی پارچه چرخاندید در یک خط راست حرکت کرد. هیچ تعجبی هم وجود ندارد! به یاد بیاوریدکه پارچه شما نمایانگر فضازمان بود. زمانی که هیچ جرم سنگینی بر روی آن قرار ندارد، به هیچ عنوان خمیده نمی‌شود، به همین دلیل است که تیله می‌تواند در آنجا ساکن بماند و یا در خط راست حرکت کند. به همین صورت یک پرتوی نور در فضایی که هیچ سیاه چاله‌ای در اطراف آن وجود ندارد در خط راست حرکت می کند.
  • زمانی که شما یک توپ سنگین را در وسط پارچه قرار دادید، باعث خم شدن پارچه به سمت پایین شد به همین صورت یک جسم سنگین (مانند یک ستاره یا سیاره یا سیاه چاله) باعث خمیدگی فضازمان می شود. هنگامی که سعی میکنید تیله را در راستای یک خط صاف بچرخانید مشاهده می‌کنید که تیله در مسیر منحنی حرکت می‌کند. تا زمانی که تیله خیلی به مرکز نزدیک نشود می‌تواند از طرفی به طرف دیگر برود- همانند اشعه نور که از نزدیکی سیاه‌چاله می‌گذرد (اما نه در درون افق رویداد) خمیده می‌شود ولی به مسیرش ادامه می‌دهد. اگر به مرکز بسیار نزدیک شود تیله به درون کشیده می‌شود- مانند نور که اگر به درون افق رویداد برود نمی‌تواند از آن خارج شود.

 

  • زمانی که شما ۲ تیله را همزمان می‌چرخانید (تا زمانی که بهم برخورد نکنند) مشاهده می‌کنید که بر حرکت یکدیگر تاثیر نمی‌گذارند. این به این دلیل است که تیله‌ها وزن زیادی ندارند که بتوانند در پارچه خمیدگی ایجاد کنند. و تمام خمیدگی ناشی از توپ سنگین تر در مرکز صفحه است. این نشان می دهد که چرا ما فقط توسط گرانش زمین به پایین کشیده می‌شویم و بخاطر گرانش اجسام دیگر از جمله دیگر انسان‌ها، ماشین‌ها و ساختمان‌ها که گرانش ناچیزی در مقابل گرانش زمین دارند، کشیده نمی‌شویم.

    منبع: Scientific American

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *