قانون الجاذبية الكونية ، أو ببساطة قانون الجاذبية، هو أحد القوانين الأساسية في الفيزياء. يصف هذا القانون طبيعة التفاعل بين الأجسام المختلفة ذات الكتلة، وبالتالي مع مجالات الجاذبية.
يشير المبدأ الأساسي لقانون الجاذبية إلى أن قوة الجاذبية للكتلة تتركز في نواة كل جسم ، بحيث تعمل الديناميكيات كما لو كانت كتلة الجسم كلها مجمعة في محوره فقط.
وبالتالي، ينص قانون الجاذبية على أن درجة القوة المؤثرة بشكل متبادل بين جسمين لهما كتلة ويفصل بينهما مسار فضائي تتناسب مع مجموع كتلتيهما وتساوي بشكل متبادل مربع المسار.
وهو ما يترجم إلى: كلما كبرت الأجسام الكتلية وكلما اقتربت من بعضها ، زادت القوة التي تجذب بها.
وقد سمح هذا الاستنتاج لعلماء الفيزياء الفلكية، بعد مئات السنين، بالبدء في فهم سلوك الأنظمة الشمسية بشكل أفضل، على الرغم من أن صيغة حساب الجاذبية غير صالحة لحساب قوة الجاذبية للأجسام الضخمة.
من اكتشف قانون الجاذبية الكونية؟
تم اقتراح قانون الجاذبية من قبل إسحاق نيوتن في عام 1687 ، بعد الحادثة الشهيرة للتفاحة التي سقطت على رأسه (تنفي روايات تاريخية مختلفة هذه الحقيقة)، مما دفعه إلى بدء دراسة تجريبية، تستند إلى ملاحظة السلوك الجاذب للأجسام تجاه بعضها البعض، وبلغت ذروتها في واحدة من أهم نظريات الديناميكا في الفيزياء.
كان سؤاله الأول: لماذا تنجذب التفاحة دائمًا بشكل عمودي من نقطة السقوط نحو الأرض؟
شكلت الاستنتاجات والحسابات المستمدة من دراسة قانون نيوتن للجاذبية علامة فارقة في أطروحات الفيزياء اللاحقة، حيث شرحت بالتفصيل ديناميكيات التفاعل بين الأجسام على مختلف المقاييس.
في وقت لاحق، أثبت قانون النسبية العامة لأينشتاين (اقرأ مقالتنا عن النسبية العامة ) أن صيغة نيوتن لحساب الجاذبية بين جسمين لا تنطبق إلا حتى حجم معين من الكتل؛ بعد ذلك، من الضروري الاعتماد على قانون النسبية.
تداعيات قانون نيوتن للجاذبية العالمية
سرعة الجاذبية
تُعد سرعة الجاذبية أو سرعتها المتجهة أحد الجوانب التي تم تضمينها لدعم قانون الجاذبية الكونية.
يشير هذا المفهوم إلى السرعة التي ينتشر بها طيف الإشعاع الجاذبي من جسم ذي كتلة، أي مدى سرعة انبعاث المجال الجاذبي من محور الجسم إلى الخارج.
تفترض فرضية نيوتن بشأن المجالات الجاذبية للأجسام أنها يجب أن تستجيب على الفور للمجالات الجاذبية للكتل الأخرى التي تقع في متناولها، دون أن تتناقص أو تتسارع وفقًا للمسافة بين الجسمين.
وهذا يعني أن نيوتن يعتقد أنه عندما يغير جسم ما توزيع كتلته ، يجب أن يتكيف تغير جاذبيته على الفور وفقًا لحجمه الجديد. لسوء الحظ ، لم يكن قادرًا على تكييف هذه الحسابات مع معادلة نظريته.
بعد ما يقرب من ثلاثة قرون، أظهرت الدراسات الفلكية وجود خلل في نظرية نيوتن حول المجالات الجاذبية من خلال إثبات، من خلال الملاحظات، أن هناك وقت انتشار لتأثيرات الموجات الثقالية بالنسبة للبيئة.
تسارع الجاذبية بالنسبة للمسافة من المحور
إذا أخذنا في الاعتبار مبدأ قانون الجاذبية الذي يخبرنا أن قوة الجاذبية للجسم تقع على محوره ويتم إسقاطها في موجات إلى الخارج (سرعة الجاذبية) ، فإننا نفهم أن المسافة الأكبر من المحور ، أقل قوة الجاذبية التي يمارسها مجال الجاذبية.
وفقًا لهذه المعادلة ، كلما ارتفعت نسبة الأجسام إلى مركز الكوكب ، قلت قوة الجذب التي تمارس. للقيام بذلك ، يؤخذ في الاعتبار ارتفاع الجسم في إشارة إلى مستوى سطح البحر وطول متوسط نصف قطر الأرض عند نقطة القياس.
يمتاز الجسم بكتلة أكبر
من خلال تحديد أن شدة قوة الجاذبية تعتمد دائمًا على كثافة كتلة جسم ما ، فإننا نفهم أنه عندما يتفاعل جسمان ذو كثافة غير متساوية مع بعضهما البعض ، فإن الجسم الذي يحتوي على مجال جاذبية أقوى سيعمل على الجسم الأضعف.
بهذا المعنى ، يمكن تفسير مبدأ تفاعل الكواكب والكويكبات والأجرام السماوية في الديناميكيات الكونية ، أي أننا نفهم لماذا تتصرف الأنظمة الشمسية بالطريقة التي تتصرف بها.
إذا أخذنا على سبيل المثال التفاعل بين مجالات الجاذبية للأرض وشمسنا (والتي تكون أكثر كثافة بحوالي 300.000 مرة) ، فإننا نفهم لماذا يدور الكوكب حول النجم وليس العكس. تبين أيضًا أن كثافة كتلة الكوكب تحدد القوة التي تنجذب بها حول الشمس.
لذا ، فإن هذا المبدأ يصف أيضًا أنه: حتى إذا تأثر الجسم بمجالي جاذبية في وقت واحد ، فإنه دائمًا ما ينجذب إلى مجال الجاذبية للكائن الأكثر كثافة.
يمكن فهم ديناميكيات الجاذبية وحقول الجاذبية بوضوح شديد عندما ندرس الطريقة التي تتصرف بها الكواكب التي تدور حول الشمس.
حركة نجوم النظام الشمسي
لفهم القواعد التي تحكم تفاعل نظامنا الشمسي - والكون بشكل عام - من الضروري أن نأخذ في الاعتبار مبادئ عمل مجالات الجاذبية للأجرام السماوية ، التي أثيرت في كتاب نيوتن.
على الرغم من أن قانون الجاذبية الكونية يتوقف عن كونه صالحًا عندما يتعلق الأمر بفهم سلوك الكتلة والجاذبية على نطاقات هائلة حقًا، إلا أنه مثالي لشرح الطريقة التي يتم بها تنظيم مدار نظامنا الشمسي حول الجسم ذي الكتلة الأكبر.
من جانبها، أكد قانون كبلر الثالث صحة النظرية المتعلقة بالسرعة المحدودة للحقول الجاذبية وقوتها بالنسبة للمسافة من محور الجسم، من خلال إثبات أن الكواكب لا تدور بشكل منتظم ودائري حول محور الجاذبية للنظام الشمسي (الشمس).
هذه تتحرك بطريقة أكثر "عدم انتظام" ، حيث تصف المسارات الإهليلجية ، والتي تتسارع أو تتباطأ بالنسبة لقربها من محور مجال الجاذبية الذي يؤثر عليها.
وبالتالي ، يتم تفسير سبب عدم دوران جميع الكواكب بنفس المعدل حول الشمس. على سبيل المثال ، يستغرق عطارد 88 يومًا فقط للالتفاف حول الشمس ، أي حوالي ربع الوقت الذي يستغرقه كوكبنا.
يحدث هذا لسببين أساسيين. بادئ ذي بدء ، عطارد أقرب بكثير إلى الشمس من الأرض ، لذا فإن القوة التي يمارسها مجال الجاذبية أقوى بكثير ، مما يجعله يتحرك بشكل أسرع حوله.
والسبب الآخر هو كثافة الكوكب، والتي، لكونها أصغر بكثير من الأرض، تعني وجود تبادل أقل في عمل كلا المجالين الجاذبيين ، حيث تمارس جاذبية الشمس قوة أكبر بكثير.
نموذج مسار الجاذبية
يؤدي تطبيق قوة الجاذبية لجسم ذي كتلة أكثر كثافة على جسم ذي كتلة أقل كثافة إلى إنشاء مجال جاذب مركزي ، أي أنه يجعل الجسم يتأثر بمدار مجال الجاذبية بشكل دائري - ولكن غير منتظم - حول نفسه محور عمل القوة.
يحدث هذا عندما تؤثر المسافة وعمل قوة الجاذبية لكلا الجسمين على بعضهما البعض لإنشاء مدار "مستقر". في حالة زيادة قوة الجاذبية لأحد الأجسام مع زيادة كثافة المادة ، فإن التأثير على الأجسام المحيطة سيتغير ، ويلغي المدارات ويجذب الأجسام نحو محورها.
يمكن رؤية مثال واضح على هذه الحالة في دراسة الثقوب السوداء ، وهي نقاط من مادة شديدة الكثافة ، والتي يكون مجال جاذبيتها قويًا لدرجة أنه يمتص كل المواد المحيطة ، بما في ذلك الضوء والوقت.
