الفرق بين كتلة القصور وكتلة الجاذبية

كتابة: أسماء صبحي آخر تحديث: 04 مارس 2021 , 12:32

ما الفرق بين كتلة القصور وكتلة الجاذبية

يبدو أنه لا توجد علاقة بين هاتين الظاهرتين ، ولكن يجب أن يكون هناك شيء يوحدهما، هذه إحدى أعظم الألغاز في الفيزياء، إن لم تكن الأعظم على الإطلاق.

وأشار ألبرت أينشتاين إلى أنه بالنسبة لشاغلي الغرفة المغلقة الذين يعانون من انجذاب نحو الأرض، من المستحيل عليهم معرفة ما إذا كانوا في مصعد متسارع أو في غرفة تستريح على سطح كوكب هائل، وهذا يثبت أن هناك تكافؤًا بين كتلة القصور الذاتي وكتلة الجاذبية.

وتتضمن الجاذبية في الفيزياء النيوتونية فعلًا عن بعد يحدث في ظروف غامضة، وفي وقت لاحق أصبح للفيزياء الكلاسيكية الجسم الضخم الذي أنشأ مجال جاذبية في جميع أنحاء الفضاء، ويتحرك جسم هائل آخر وفقًا لتدرج مجال الجسم الأول.

وفكرة الجاذبية التي أرستها نظرية النسبية العامة لأينشتاين هي أن الكتلة تشوه الفضاء، ويشير هذا إلى أن الضوء القادم من النجوم التي مرت بالقرب من الشمس أثناء الكسوف ينحرف عن الخطوط المستقيمة ويظهر أن النجوم قد غيرت موقعها مقارنة بالمكان الذي لا يمر فيه ضوءها بالقرب من الشمس.

وكان هناك كسوف في عام 1929 يمكن ملاحظته فقط من موقع في أفريقيا، وذهب علماء بريطانيون إلى هناك وتحققوا من صحة تنبؤات أينشتاين، لذا فإن الكتلة بالفعل تشوه الفضاء.

ومن الصعب تصور الالتواء في الفضاء ثلاثي الأبعاد، ولكن من السهل القيام بذلك بالنسبة للفضاء ثنائي الأبعاد، فالالتواء هو غمازة في مستوى مسطح، لذا فإن الغمازة هي جانب أساسي لجسم ضخم.

وإذا لم يكن الفضاء مرنًا بشكل لانهائي، فإن دفع غمازة عبر الفضاء يتطلب قوة ويعطي طاقة للغمازة، وعلى الجانب الأمامي من حركتها، سيتم دفع خطوط شبكة الفضاء معًا، هذا التشويه لخطوط الشبكة في الفضاء سيكون أكثر تشوهًا عندما يتم تسريع الغمازة، إنها مثل موجة القوس لقارب يتم تصعيده عبر الماء، تعتمد مقاومة القارب للتسارع على شكل الهيكل وعمقه وعرضه، بالإضافة إلى كتلة القارب، وتحدد كتلة الجسيم عمق وعرض غمازه وبالتالي مقاومته للتسارع.

لذا فإن الفرق بين كتلة الجاذبية والكتلة بالقصور الذاتي ينبع من كون كتلة الجاذبية عبارة عن التواء في الفضاء، وكتلة القصور الذاتي تنبع من ديناميكيات تحريك مثل هذه الالتواءات عبر الفضاء.[1]

الجاذبية

في نظرية النسبية العامة لأينشتاين، تم تحديد النتائج الفيزيائية لحقول الجاذبية بالطريقة التالية، الزمكان عبارة عن سلسلة متصلة غير تقليدية رباعية الأبعاد، وينتج انحناء الهندسة الريمانية للزمكان عن طريق توزيع المادة في العالم، وتنتقل الجسيمات والأشعة الضوئية على طول الجيوديسيا “أقصر المسارات” لهذا العالم الهندسي رباعي الأبعاد.

وهناك نتيجتان رئيسيتان للنظرة الهندسية للجاذبية، الأولى: تعتمد تسارعات الأجسام فقط على كتلها وليس على تكوينها الكيميائي أو النووي، والثانية: مسار الجسم أو الضوء بجانب أي جسم ضخم مثل الشمس يختلف بعض الشيء عن ذلك الذي تنبأت به نظرية نيوتن.

وأجرى نيوتن بنفسه تجارب على البندولات التي أظهرت مبدأ أفضل من جزء واحد في 1000 لمجموعة متنوعة من المواد، وفي بداية القرن العشرين، أظهر الفيزيائي المجري رولاند، بارون فون إيتفوس، أن المواد المختلفة تتسارع في مجال الأرض بنفس المعدل في جزء واحد في 109، وأظهرت التجارب الأحدث مساواة التسارع في مجال الشمس في جزء واحد في 1011، وتتفق النظرية النيوتونية مع هذه النتائج بسبب افتراض أن قوة الجاذبية تتناسب مع كتلة الجسم.[2]

كتلة القصور

الكتلة بالقصور الذاتي هي معلَمة جماعية تعطي مقاومة القصور الذاتي لتسريع الجسم عند الاستجابة لجميع أنواع القوة، ويتم تحديد كتلة الجاذبية من خلال قوة الجاذبية التي يتعرض لها الجسم عندما يكون في مجال الجاذبية، لذلك تُظهر تجارب “إيتفوس” أن نسبة كتلة الجاذبية والقصور الذاتي هي نفسها للمواد المختلفة.

ففي نظرية أينشتاين للنسبية الخاصة، الكتلة بالقصور الذاتي هي مظهر من مظاهر جميع أشكال الطاقة في الجسم، ووفقًا لعلاقته الأساسية E = mc2 ، E هي محتوى الطاقة الكلي للجسم، و m كتلة القصور الذاتي للجسم ، و c سرعة الضوء.

وعند التعامل مع الجاذبية، كظاهرة ميدانية، يشير مبدأ التكافؤ الضعيف إلى أن جميع أشكال الطاقة غير الجاذبية يجب أن تتطابق أو تتفاعل مع مجال الجاذبية، لأن المواد المختلفة في الطبيعة تمتلك كميات جزئية مختلفة من الطاقة النووية والكهربائية والمغناطيسية، والطاقات الحركية، لكنها تتسارع بمعدلات متطابقة.

وفي نظرية النسبية العامة، يتفاعل حقل الجاذبية أيضًا مع طاقة الجاذبية بالطريقة نفسها كما هو الحال مع أشكال الطاقة الأخرى، وهو مثال على عالمية تلك النظرية التي لا تمتلكها معظم نظريات الجاذبية الأخرى.[2]

الجوانب الفلكية للجاذبية

تسمح دراسات الجاذبية بتقدير كتل وكثافة الأجرام السماوية، وبالتالي تجعل من الممكن التحقيق في التكوينات الفيزيائية للنجوم والكواكب، ونظرًا لأن الجاذبية قوة ضعيفة جدًا، فإن تأثيراتها المميزة تظهر فقط عندما تكون الكتل كبيرة جدًا، وفكرة أن الضوء قد ينجذب قد اقترحها ميشيل وفحصها عالم الرياضيات والفلك الفرنسي بيير سيمون لابلاس.

وتم وصف تنبؤات الفيزياء الكلاسيكية والنسبية العامة بأن الضوء المار بالقرب من الشمس قد ينحرف أعلاه، وهناك نتيجتان أخريان لعلم الفلك، وهما: قد يمر الضوء من جسم بعيد بالقرب من أشياء أخرى غير الشمس وينحرف عنها، على وجه الخصوص، قد تنحرف مجرة ​​ضخمة عن مسارها، وإذا كان هناك جسم ما خلف مجرة ​​ضخمة، كما يُرى من الأرض، فقد يصل الضوء المنحرف إلى الأرض بأكثر من مسار واحد.

وأشار كل من ميشيل ولابلاس، إلى أن جذب جسم كثيف جدًا للضوء قد يكون كبيرًا جدًا بحيث لا يمكن للضوء أن يفلت من الجسم، مما يجعله غير مرئي، وهذه الظاهرة هي “الثقب الأسود”.

وتم تطوير النظرية النسبية للثقوب السوداء بشكل شامل في السنوات الأخيرة، وقد أجرى علماء الفلك ملاحظات مكثفة عنها، وتتكون إحدى الفئات المحتملة من الثقوب السوداء من النجوم الكبيرة جدًا التي استهلكت كل طاقتها النووية بحيث لم تعد محتجزة بسبب ضغط الإشعاع وانهارت في ثقوب سوداء.

ويُعتقد أن الثقوب السوداء الضخمة التي تبلغ كتلتها ملايين إلى مليارات أضعاف كتلة الشمس توجد في مراكز معظم المجرات.

والثقوب السوداء، التي لا يمكن للإشعاع الهروب منها، لا يمكن رؤيتها بضوءها، ولكن هناك تأثيرات ثانوية يمكن ملاحظتها، فإذا كان الثقب الأسود مكونًا واحدًا لنجم مزدوج، فيمكن اشتقاق الحركة المدارية للزوج وكتلة العضو غير المرئي من الحركة التذبذبية لرفيق مرئي.

ونظرًا لأن الثقوب السوداء تجذب المادة، فإن أي غاز موجود بالقرب من جسم من هذا النوع سوف يسقط فيها ويكتسب، قبل أن يتلاشى في الثقب، وقد يصبح الغاز ساخنًا بدرجة كافية لإنتاج أشعة سينية وأشعة جاما من حول الحفرة.

ومثل هذه الآلية هي أصل بعض المصادر الفلكية القوية للأشعة السينية والراديو، بما في ذلك تلك الموجودة في مراكز المجرات والكوازارات، ففي حالة المجرة الضخمة M87، تمت ملاحظة الثقب الأسود الهائل في مركزها، والذي تبلغ كتلته 6.5 مليار مرة كتلة الشمس بشكل مباشر.[2]

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق