چگونگي پديدار شدن ميدان گرانش منفي [ نيروي ضد جاذبه ، انرژي تاريك ، توجيه حركت شتابدار كهكشانها در كيهان ] ، وارونگي ميدان گرانشي
قانون جهاني گرانش : اگر پرتابه‌اي با سرعت زياد ، از يك ارتفاع نسبتا زياد از سطح سياره زمين در امتداد مماس بر دايره‌اي به مركزيت سياره زمين پرتاب شود ، تحت تاثير گرانش ، مسيري منحني شكل را طي مي‌كند و سرانجام بر روي سطح زمين سقوط خواهد كرد . اگر سرعت پرتابه به اندازه كافي زياد باشد ، ميتواند يك دايره كامل را حول زمين طي كند و دور زمين بچرخد يعني شكل زير :
اينك اگر پرتابه را ثابت فرض كرده و سياره زمين را با همان سرعت زاويه‌اي پرتابه دوران دهيم چه اتفاقي روي ميدهد ؟ مسلما به استناد نظريات نسبيت ، چون قوانين فيزيكي در تمامي دستگاه‌هاي لخت يكسان است ، پس فرقي نمي‌كند كه پرتابه به دور سياره زمين بچرخد يا سياره زمين با همان سرعت زاويه‌اي دوران داشته باشد و پرتابه ثابت بماند ، يعني مشاهدات انجام شده توسط ناظرين واقع در سطح زمين و يا مدار پرتابه يكسان خواهد بود ، در هر دو حالت پرتابه به شرايط بي وزني ميرسد و هيچگاه به سطح سياره زمين سقوط نخواهد كرد. از طرفی مابين جرم گرانشي و جرم اينرسي هم ارزي وجود دارد ، چون آثار گرانش با آثار شتاب يكي است و ما در این حالت همواره نیرو یا شتاب جانب مرکز خواهیم داشت . به هر حال چنین تصور میشود که اگر مشاهدات دو ناظر در دو دستگاه لخت و یا شتابدار مشابه یکدیگر بود آن دو دستگاه همواره هم ارز خواهند بود و قوانين فيزيكي يكسان رفتار خواهند کرد . اين مدار در شكل فوق به رنگ قرمز مشخص شده است و اگر فاصله پرتابه با سطح سياره زمين كمتر شود ، به مرور زمان پرتابه به سطح سياره زمين سقوط خواهد كرد ، اين منطقه به رنگ صورتي روشن نشان داده شده كه منطقه گرانش مثبت نامگذاري ميشود . و اگر فاصله پرتابه با سطح سياره زمين زيادتر شود ، به مرور زمان پرتابه از سطح سياره زمين دور ( دفع ) خواهد شد ، اين منطقه به رنگ زرد روشن نشان داده ميشود كه منطقه گرانش منفي نامگذاري ميشود . البته ناگفته نماند كه اگر سياره زمين را در حال دوران با سرعت زاويه‌اي پرتابه در نظر بگيريم اين دو منطقه ، شامل تمامي اجرام حاضر خواهد بود و اگر پرتابه را در حال چرخش به دور سياره زمين در نظر بگيريم ، اين دو منطقه فقط شامل پرتابه خواهد شد . حالت ديگري هم وجود دارد يعني سرعت زاويه‌اي پرتابه يا سياره زمين بيشتر از حد لزوم باشد كه در اين صورت پرتابه ابتدا به ساكن از طرف سياره زمين دفع و پرتاب ميشود يعني شكل زير :
توجيه حركت شتابدار كهكشانها در كيهان : سرعت حركت خطي بعضي از اجرام سماوي در جوار هسته كهكشانها چيزي در حدود يك سوم سرعت نور اندازه‌گيري شده است . در اين وضعيت ميتوان پيش بيني كرد كه تمامي اجرام خارج از هسته كهكشان در محدوده گرانش مثبت كهكشان بوده و در كناره‌هاي بيروني لبه كهكشان ، گرانش صفر و در خارج از اين محدوده گرانش منفي ميباشد . يعني تمام كهكشانها در خارج از محدوده گرانش مثبت و صفر خود ، نيروي ضد جاذبه يا گرانش منفي دارند كه به وسيله اين نيرو ميتوانند به حركت و سرعت شتابداري در كيهان دست يابند . اين همان چيزي است كه انرژي تاريك نام گرفته است و تا به امروز از ماهيت آن بي اطلاع بوده‌ايم . لازم به توضيح است كه از زمان نيوتن برخي از فيزيكدانان اعتقاد داشتند كه در مقابل گرانش كه يك نيروي جاذبه است و ميبايست موجب فرو ريزش جهان شود ، يك نيروي دافعه وجود دارد كه مانع درهم ريختن جهان ميشود و جهان پايدار باقي مي‌ماند . در هر صورت نه مخالفين جهان پايدار براي ادعاي خود دليل داشتند و نه طرفداران آن مي‌توانستند آنرا اثبات كنند . اين نيروي دافعه‌اي گرانشي ، برون كهكشاني ميباشد و مربوط به داخل كهكشان نمي‌شود .
البته تصور اين پديده تازه شناخته شده براي ما بسيار دشوار مي‌نمايد ، براي اينكه ما از گرانش توقع نيروي جاذبه داريم و نه دافعه ولي اين پديده نو شناخته را ميتوان هم با قوانين جهاني گرانش و هم با نظريات نسبيت و صد البته مكانيك كوانتومي توجيه نمود . اينك سعي ميكنيم با فرموليزه كردن روابط فيزيكي ، ادعاي خود مبني بر وجود ميدان گرانش منفي ( يعني نيروي ضد جاذبه ) را به ثبوت برسانيم :
همانطور كه ميدانيم در معادلات فوق f نيروي جانب مركز ( گريز از مركز ) پرتابه ، m جرم پرتابه ، v سرعت خطي پرتابه روی مدار ، r شعاع مدار يا فاصله پرتابه از مركز میدان جاذبه ( سياره زمين ) ، F نيروي جاذبه مابين مركز جاذبه زمين و پرتابه ، G ثابت جهاني گرانش ، M جرم مركز گرانش ( سياره زمين ) ميباشد . اينك براي اينكه پرتابه به دور مركز جاذبه چرخش دايمي داشته باشد ، ميبايست F=f شود ، كه در اين رابطه فاصله r و سرعت v قابل محاسبه خواهد بود . اينك پرتابه را ثابت فرض كرده و مركز جاذبه را با همان سرعت زاويه‌اي پرتابه دوران مي‌دهيم . براي پيدا كردن روابط فيزيكي ميبايست به جاي سرعت خطي پرتابه ، سرعت زاويه‌اي مركز جاذبه را وارد معادله نماييم ، همانطور كه ميدانيم :
v=ωr
كه ω همان سرعت زاويه اي ( راديان بر ثانيه - 2pi/s ) ميباشد :
نكته شگفت انگيز در اين معادلات اين است كه ω يا سرعت زاويه‌اي ميتواند هم مثبت و هم منفي باشد ، يعني دوران مركز جاذبه در ديد ناظر يا ناظرين ساعت گرد و يا پاد ساعت گرد باشد . ولي شعاع يا فاصله پرتابه و مركز جاذبه همواره مثبت بوده و كسي نمي‌تواند به استناد اين فرمول‌ها مدعي طول يا بعد منفي در عالمي خيالي ديگر شود ( يعني ضد عالم يا ضد دنيا ، ابعاد منفي و ..... ) . در واقع اين فرمول‌ها وجود سفيد چاله‌ها و امكان ورود به دنياي ديگر را نفي و منتفي مي‌كند .
طرح يك مسئله فيزيكي بسيار مهم مربوط به اختر فيزيك : جرم نوتروني داريم به جرم پنج برابر جرم خورشيد ، اگر سرعت زاويه‌اي اين جرم 500 راديان بر ثانيه باشد : 1- محدوده ميدان گرانش مثبت 2- مرز ميدان گرانش صفر 3- برد ميدان گرانش منفي پيرامون آن را مشخص كنيد ؟
جواب : 1- محدوده ميدان گرانش مثبت جرم نوتروني ، كمتر از شعاع 40.668 كيلومتري 2- مرز ميدان گرانش صفر ، مدار 40.668 كيلومتري 3- برد ميدان گرانش منفي ، از شعاع 40.668 كيلومتري تا بينهايت . در واقع برد ميدان گرانشي اين سياه چاله بينهايت است ولي شتاب گرانشي آن بعد از شعاع 40.668 كيلومتري منفي خواهد بود . اين شتاب گرانش منفي سياه چاله ميتواند به خود آن شتاب و سرعت ببخشد ، تا به امروز سياه چاله هايي با سرعت 4000 كيلومتر بر ثانيه شناسايي و رديابي شده‌اند . اين مسائل براي اولين بار در علم فيزيك ما حل و فصل ميشوند و اينك ما ميتوانيم به راحتي متوجه سه مسئله مهم شويم .
1- چرا تمامي اجرام فعلا به كام سياه چاله ها فرو نمي‌روند ( كشيده نمي‌شوند ) ؟ 2- علت اصلي توسعه شتابدار كيهان چيست ؟ 3- جهت توجيه توسعه عالم هيچ نيازي جهت ارايه و پذيرش نظريه انفجار بزرگ نيست ، براي اينكه اين توسعه به راحتي قابل توجيه است !
g شتاب گرانشي ، +g شتاب گرانشي ميدان جاذبه و -g شتاب منفي ناشي از نيروي جانب مركز ( گريز از مركز ) است . gf تفاضل اين دو شتاب و در نتيجه شتاب نهايي است كه اگر مثبت بود ، ميدان گرانشي مثبت است ولي اگر منفي بود ، ميدان گرانشي منفي بوده و جاذبه به ضد جاذبه تبديل خواهد شد .
نمودار فوق مربوط به مثال قبلي ميشود . منحني سبز رنگ مربوط به كاهش شتاب گرانشي و خط قرمز مربوط به افزايش شتاب گرانشي به نسبت افزايش فاصله از مركز ميدان را نشان مي دهد . منحني و نيم خط آبي تفاضل آن دو را نشان مي دهد . برسي موضوع از ديدگاه نسبيت : اگر ما هر نقطه واقع در ميدان گرانشي پيرامون مركز گرانش را در نظر بگيريم ، ميتوانيم براي اين مكان و يا نقطه خاص ، مقداري انرژي تصور كنيم :
و همانطور كه ميدانيم انرژي و جرم هم ارز هستند ، پس ميتوانيم معادل جرمي اين انرژي را حساب كنيم :
E انرژي ، m جرم ، c سرعت نور ، Ef انرژي ميدان گرانشي در هر نقطه مفروض و mf جرم معادل انرژي ميدان گرانشي در هر نقطه مفروض است . مسلما اين جرم ناشي از ميدان گرانشي با دوران مركز گرانش به چرخش درآمده و صد البته نيروي گريز از مركز پيدا خواهد كرد كه براي فرموليزه كردن روابط ، از همان روش قبلي استفاده ميكنيم :
و در نهايت به همان نتايج قبلي مي‌رسيم . اينك ميتوانيم جرم معادل انرژي پتانسيل گرانشي را نيز حساب كنيم كه از قرار زير است :
برسي موضوع از ديدگاه مكانيك كوانتومي : همانطور كه ميدانيم در مكانيك كوانتومي ، فوتون بوزون ميدان الكترومغناطيس فرض ميشود كه هم انرژي و هم جرم دارد كه مسلما با داشتن سرعت انتقال c ، تكانه هم خواهد داشت . اينك اگر فرض كنيم كه نظريه مكانيك كوانتومي در مورد ذره اي بودن ميدان گرانشي درست بوده باشد و ذرات حامل اين نيرو و يا انرژي ميدان گرانشي ، بوزون گراويتون باشد ، مسلما اين گراويتونها تحت شرايطي معادل انرژي خود جرم و تكانه خواهند داشت و با دوران مركز ميدان گرانشي ، شروع به چرخش مارپيچي و يا دايره اي كرده و با افزايش شعاع و محيط ميدان گرانشي ( مدار چرخش گراويتونها ) بر سرعت خطي آنها افزوده شده كه در نتيجه نيروي گريز از مركز هم افزايش پيدا خواهد كرد و در نهايت جهت بردار اعمال نيروي گرانشي گراويتونها ( بردار نيروي ميدان گرانش ) برعكس شده و گرانش به گرانش منفي و جاذبه به ضد جاذبه تبديل يا تغيير پيدا مي‌كند . به طور خلاصه نيروي جاذبه به طرف مركز جاذبه ( مركز ثقل جرم ثقيل ) ، تبديل به نيروي گريز يا خروج از مركز خواهد شد . كه مسلما در پيدا كردن روابط فيزيكي به همان معادلات قبلي خواهيم رسيد . براي اينكه در اين معادلات جرم پرتابه و يا گراويتون و .... از دو طرف معادله حذف ميشود .
مارپيچهاي آبي جهت اعمال نيروي گرانش مثبت مركز گرا و دايره قرمز جهت اعمال نيروي گرانش صفر خنثي و منحني هاي بنفش رنگ جهت اعمال نيروي گرانش منفي خارج مركز توسط گراويتونهاي فرضي را نشان ميدهد .
یك "لنز كهكشانی" آشكار كرده است كه جهان احتمالا برای همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد. منجمان با بررسی نوری كه توسط یك خوشه كهكشانی عظیم به اسم "آبل 1689" (Abell 1689) دچار اعوجاج شده بود سعی كردند میزان انرژی تاریك موجود در كیهان را رقم بزنند. انرژی تاریك یك نیروی اسرارآمیز است كه انبساط جهان را تسریع می كند. درك نحوه توزیع این نیرو آشكار كرد كه سرنوشت احتمالی جهان این است كه برای همیشه به انبساط خود ادامه دهد. محققان می گویند كه جهان در نهایت به مرده زاری سرد بدل خواهد شد. نتایج این مطالعه كه توسط یك تیم بین‌المللی تحت هدایت پروفسور اریك جولو از آزمایشگاه رانش جت ناسا در كالیفرنیا انجام شده در نشریه "ساینس" چاپ شده است. انرژی تاریك سه چهارم كیهان را تشكیل می دهد اما كاملا غیرقابل رویت است. دانشمندان وجود آن را با توجه به منبسط شدن جهان استنباط می كنند. ستاره شناسان برای درك چگونگی توزیع انرژی تاریك در جهان، از تلسكوپ فضایی هابل استفاده كردند. آنها به بررسی نوع اعوجاج نور ستارگان دوردست توسط خوشه آبل 1689 پرداختند. این یك خوشه نسبتا نزدیك به محل ما در جهان است. آبل 1689 كه در صورت فلكی ویرگو (سنبله) قرار دارد یكی از بزرگترین خوشه های كهكشانی شناخته شده است. این خوشه به دلیل جرم عظیم آن مثل یك ذره بین عمل می كند و نور در اطراف آن خم می شود. سه عامل در نوع اعوجاج نور توسط این لنز آسمانی موثر است: فاصله شیئی كه منبع نور است؛ جرم آبل 1689، و توزیع انرژی تاریك. منجمان توانستند دو عامل اول را با استفاده از تلسكوپ "وی ال تی" اروپا كه در شیلی مستقر است اندازه بگیرند كه امكان محاسبه عامل سوم را فراهم كرد. آنها با آگاهی از نحوه توزیع انرژی تاریك به این نتیجه رسیدند كه جهان برای همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد. با نزدیك شدن دما به آنچه دانشمندان "صفر مطلق" می خوانند جهان به جایی سرد و مرده بدل خواهد شد. پروفسور پریاموادا ناتاراجان از دانشگاه ییل، از كیهان شناسان ممتاز در این مطالعه، گفت كه این یافته ها بالاخره ثابت كرد كه "سرنوشت جهان دقیقا چه خواهد بود."
