چرا “گرانش” ضعیف است؟

چهار نیروی بنیادی شناخته شده در جهان عبارتند از: نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی، الکترومغناطیس و گرانش. نیروهای هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف را به ترتیب با نام‌های قوی و اندرکنش ضعیف هم می‌شناسند. احتمالا به جز نیروی گرانشی، بقیه این نیروها به وسیله یک سری محاسبات تقریبی که به نظریهٔ اختلال معروف است، قابل توصیف‌اند. در اینجا ما سعی داریم که علت ضعیف بودن نیروی گرانش را بررسی کنیم.
اگر قرار باشد با موجودی در سیاره ای دیگر جلسه گفتگویی ترتیب دهیم، طبیعی است که با موضوع گرانش آغاز کنیم. این نیروست که سیاره ها را در مدارشان نگه می دارد و نیز سبب پایداری ستاره ها می شود. در مقیاسی بزرگتر، کهکشانهای کامل، که هر کدام از میلیاردها ستاره تشکیل شده، به وسیله گرانش اداره می شوند. هیچ ماده ای، هیچ نوع ذره ای، حتی نور هم نمی تواند از چنگ آن بگریزد.
گرانش کماکان عمیقا اسرار آمیز است. نیروی گرانش حیرت آورتر از دیگر نیروهای بنیادی طبیعت است، با این حال نخستین نیرویی که بصورت ریاضی فرمول بندی شد همین نیرو بود. سر آیزاک نیوتن در قرن هفدهم اعلام کرد که جاذبه بین دو جسم از قانون عکس مجذور پیروی می کند، یعنی متناسب با مربع فاصله ی بین دو جرم کم می شود: یعنی اگر فاصله ی بین آنها را دو برابر کنید، جاذبه ی بین آنها چهار برابر ضعیف تر می شود.
640px-GPB_circling_earth
به رغم اهمیت گرانش برای ما، برای زیست کره زمین و برای کائنات، این نیرو به گونه ای تعچب آور در مقایسه با نیروهای دیگر، که بر اتم ها اثر می کنند، ضعیف است. بارهای الکتریکی با علامت مخالف همدیگر را جذب می کنند: اتم هیدروژن از یک پروتون مثبت و یک الکترون منفی که در مداری به دور پروتون حبس شده، تشکیل شده است. دو پروتون ( طبق قانون نیوتن ) همدیگر را با نیروی گرانش جذب می کنند، اما یک نیروی دافعه الکتریکی هم بین آنها وجود دارد. هر دو نیرو بطور یکسان به فاصله بستگی دارند هر کدام از یک قانون عکس مجذوری پیروی می کنند و بنابراین قدرت نسبی آنها که با هم عدد N سنجیده می شود به فاصله ی پروتون ها بستگی ندارد. وقتی دو اتم هیدروژن به هم می پیوندند و یک مولکول تشکیل می دهند، نیروی الکتریکی بین پروتون ها به وسیله دو الکترون به نوعی خنثی می شود. نیروی گرانشی بین پروتون ها به اندازه ۳۶^۱۰ مرتبه ضعیف تر از نیروهای الکتریکی و تقریبا غیر قابل اندازه گیری است. بنابراین شیمیدانها به راحتی می توانند هنگام مطالعه ی چگونگی پیوند اتم ها و تشکیل مولکول، از گرانش صرف نظر کنند.
با این اوصاف، چطور گرانش می تواند در زندگی ما نیروی غالب باشد، ما را روی زمین، و ماه و سیارات را در مدارهای شان نگه دارد؟ پاسخ آن است که نیروی گرانش همیشه جاذبه ای است : اگر جرمی را دو برابر کنید، کشش جاذبه ای را که جرم اعمال می کند نیز دو برابر کرده اید، در حالی که بارهای الکتریکی فقط یکدیگر را جذب نمی کنند، بلکه می توانند یکدیگر را دفع کنند: هم بار مثبت داریم، هم بار منفی. تنها در صورتی نیروی دو بار الکتریکی دو برابر نیروی یک بار الکتریکی خواهد بود که علامت هر دو یکسان باشد. اما همه ی اجسام معمولی که در زندگی روزمره با آنها سر و کار داریم از تعداد بسیار زیادی از اتم ( که هر کدام از یک هسته ی مثبت و الکترونهای منفی که آن را احاطه کرده اند، تشکیل شده) ساخته شده اند و بارهای مثبت و منفی تقریبا کاملا همدیگر را خنثی می کنند. حتی اگر آنقدر دارای بار الکتریکی شویم که موهایمان سیخ بایستد، نسبت تعداد بارهای اضافی کمتر از یک در میلیارد میلیارد است. از سوی دیگر همه ی اجسام فقط یک نوع بار گرانشی دارند و بنابراین در اجسام بزرگ، همیشه این نیروی گرانش است که در برابر نیروی الکتریکی برنده خواهد شد. وقتی یک جسم جامد فشرده یا کشیده می شود، تعادل نیروهای الکتریکی، مقداری بسیار اندک به هم می خورد. وقتی برایند اثر گرانشی همه ی اتم های کره ی زمین روی یک سیب، کشش الکتریکی موجود در ساقه ای که سیب را به در خت نگه داشته است شکست می دهد، سیب از درخت می افتد. دلیل این که گرانش این قدر برای مهم است آن است که ما روی کره ای بزرگ و سنگین چون زمین زندگی می کنیم.
gravitationalCorri
گرانش از نیرویی که عالم خرد را اداره می کند به اندازه عدد N ، یعنی تقریبا ۳۶^۱۰ برابر ، ضعیف تر است. اینقدر ضعیف نبود چه می شد؟ مثلا عالمی را فرض کنید که در آن گرانش، به جای ۳۶^۱۰ برابر ، فقط ۳۰^۱۰ برابر ضعیف تر از نیروی الکتریکی بود. در چنین عالمی اتم ها و مولکولها درست همانگونه رفتار می کردند که در عالم واقعی ما رفتار می کنند. اما برای این که گرانش می توانست با نیروهای دیگر رقابت کند. لازم نبود اجرام آنقدر بزرگ باشند. در چنین عالمی تعداد اتم های مورد نیاز برای تشکیل یک ستاره یک میلیارد برابر کمتر می شد. جرم سیارات نیز با همین ضریب کوچک تر می شد. جدای اینکه آیا مدارهای چنین سیاراتی می توانستند پایدار باشند یا نه، قدرت گرانش استعداد بیشتر حیات را از بین می برد. در چنین عالم فرضی ای حتی حشرات برای سرپا ماندن نیاز به پاهای کلفت داشتند و هیچ حیوانی که خیلی بزرگتر از حشرات باشد نمی توانست پیدا شود. هر جسمی که جرمی مشابه ما داشت به وسیله ی گرانش در هم شکسته می شد. در چنین عالمی کهکشانها بسیار سریعتر شکل می گرفتند و بسیار کوچک بودند. به جای اینکه ستاره ها اینقدر با فاصله پراکنده شده باشند، توزیع آنها چنان فشرده می شد که برخورد بین آنها پدیده ای مکرر بود. خود این امر منظومه های سیاره ای پایدار را غیر ممکن می ساخت زیرا ستاره هایی که از نزدیک مثلا خورشید عبور می کردند مدار سیارات را به هم می زدند. امری که وقوعش ( ما زمینی ها باید بگوییم: خوشبختانه ) در منظومه شمسی بسیار غیر محتمل است. اما آنچه برای یک اکوسیستم پیچیده از همه ی این ها بدتر شد. کمبود زمان برای تکامل بود. زیرا از این مینی ستاره های عالم فرضی، گرما سریعتر و زودتر به بیرون انتقال می یافت: در چنین عالم طول عمر ستارگان ۱ میلیون برابر کوتاه تر بود. یک ستاره ی نمونه به جای ۱۰ میلیارد سال حدود ۱۰۰۰۰ سال می زیست. یک مینی خورشید سریعتر می سوخت و حتی قبل از اینکه نخستین قدم در تکامل حیاتی تکمیل شود، انرژی اش تمام می شد.
اگر گرانش قوی تر بود ( با این فرض که چیزهای دیگر ثابت می ماندند ) بی شک شرایط لازم برای تکامل های پیچیده سخت تر بود. در عالم، چنین تفاوت عظیمی ( که در عالم واقعی خودمان شاهد آن هستیم ) بین فواصل زمانی مربوطز به فرایندهای نجومی، از یک طرف و فواصل زمانی از مربوط به واکنش های بنیادی فیزیکی و شیمیایی عالم خرد از طرف دیگر وجو نداشت. برعکس: ارگ گرانش ضعیف تر، ساختارهای حیاتی با عمرهای حتی طولانی تر، پیچیده تر، پیشرفته تر می توانست شکل بگیرد. گرانش نیروی سازمان دهنده ی عالم است. اما تنها به واسطه ی ضعیف بودن این نیرو در مقایسه با سه نیروی دیگر است که ساختارهای بزرگ و با عمر طولانی می توانند وجود داشته باشند. به نظر تناقض آمیز است، اما هر چه گرانش ضعیف تر باشد ( به شرط اینکه صفر نباشد ) نتایج حاصل از آن می توانند عظیم و پیچیده تر باشند. هیچ نظریه ای نداریم که بتوانم مقدار N را از آن استخراج کنیم، فقط میدانیم که اگر N کوچکتر از ۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ بود ( یعنی اگر ضعف نسبی نیروی گرانش کمتر بود ) موجودی به پیچیدگی انسان نمی توانست پیدا شود.

پی نوشت:
عدد N برابر با ۳۶^۱۰ که برابر است با قدرت نیروی الکتریکی تقسیم بر قدرت گرانش. این عدد نشان می‌دهد که گرانش تا چه حد ضعیف است.

image_pdfimage_print
(12 نفر , میانگین : 3٫33 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=938

سمیر الله وردی

کارشناس عمران، علاقمند به نجوم، کیهان شناسی، فیزیک و تکنولوژی های جدید می باشد و بعنوان نویسنده علمی- نجومی در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

یک پاسخ

پاسخ دهید

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