في الفضاء ، على الرغم من أن جميع الكتل في الكون تطيع قوة الجاذبية ، كالمعتاد ، لا يتم الشعور بـ "القمة" و "القاع" ، كما هو الحال على الأرض ، حيث يتم تسريع المركبة الفضائية وكل شيء على متنها بواسطة الجاذبية بنفس السرعة.إذا وضعت شخصًا في الفضاء ، بعيدًا عن تأثيرات الجاذبية التي عاشها على سطح الأرض ، فسوف يعاني من انعدام الوزن. على الرغم من أن جميع كتل الكون ستستمر في جذبها ، إلا أنها ستستمر في جذب سفينة الفضاء ، لذا فإن الشخص "يسبح" في الداخل. في المسلسلات والأفلام مثل Star Trek و Star Wars و Battle Cruiser Galaxy وغيرها الكثير ، نظهر دائمًا كيف يقف أعضاء الطاقم بثبات على أرضية السفينة ، بغض النظر عن الظروف الأخرى. قد يتطلب هذا إمكانية إنشاء جاذبية مصطنعة - ولكن مع مراعاة قوانين الفيزياء بالشكل الذي نعرفه بها اليوم ، فإن هذه مهمة صعبة للغاية.
الكابتن غابرييل لوركا على جسر ديسكفري خلال محاكاة للمعركة مع الكلينجون. ينجذب الفريق بأكمله "إلى أسفل" بسبب الجاذبية الاصطناعية - اليوم تقنية الخيال العلمييرتبط درس مهم من مبدأ التكافؤ بالجاذبية: لا يمكن تمييز النظام المرجعي المتسارع بشكل موحد عن مجال الجاذبية. إذا كنت في صاروخ ولا يمكنك النظر إليه ، فلن يكون لديك طريقة لفهم ما يحدث: هل الجاذبية تدفعك للأسفل أم تسارع منتظم للصاروخ في اتجاه واحد؟ أدت هذه الفكرة إلى صياغة النظرية النسبية العامة ، وبعد أكثر من مائة عام ، هذا هو الوصف الأكثر صدقًا للجاذبية والتسارع المعروفين لنا.
السلوك المتطابق للكرة التي تسقط على الأرض في صاروخ متسارع وعلى الأرض يوضح مبدأ آينشتاين للتكافؤهناك خدعة أخرى يمكننا استخدامها: جعل السفينة تدور. بدلاً من التسارع الخطي (قوة تسريع الصاروخ) ، يمكنك الحصول على جهاز طرد مركزي يشعر فيه الشخص على متن الطائرة كيف ينجذب إلى بدن السفينة. هذا مشهور بفيلم "2001: Space Odyssey" ، وهذه القوة بسفينة كبيرة بما فيه الكفاية لا يمكن تمييزها عن الجاذبية.
لكن هذا كل شيء. ثلاثة أنواع من التسارع - الجاذبية والخطية والتناوب - هي القوى الوحيدة المتاحة لنا والتي لها تأثير جاذبية. وبالنسبة لأولئك الذين على متن سفينة الفضاء ، فهذه مشكلة كبيرة وكبيرة.
مفهوم المحطة الفضائية 1969 ، التي كان من المفترض أن يتم جمعها في مدار من المراحل المستخدمة لبرنامج أبولو. كان من المفترض أن تدور المحطة حول محور مركزي وتولد جاذبية اصطناعية.لماذا؟ بسبب السفر إلى نظام نجمي آخر ، عليك تسريع السفينة في طريقها إلى هناك ، والتباطؤ عند الوصول. إذا لم تتمكن من الدفاع ضد هذه التسارع ، فإن الفشل الذريع ينتظرك. على سبيل المثال ، من أجل التسريع إلى "سرعة الاندفاع" لـ "Star Trek" ، حتى عدة بالمائة من سرعة الضوء ، يجب على المرء تحمل تسارع 4000 جم لمدة ساعة. هذا تسارع أكثر 100 مرة ، والذي سيمنع تدفق الدم في جسمك - وهو وضع مزعج للغاية ، على أي حال.
يُظهر إطلاق مكوك كولومبيا في عام 1992 أن تسارع الصاروخ لا يحدث على الفور ، ولكنه يستمر لفترة طويلة ، عدة دقائق. كان يجب أن يكون تسارع المركبة الفضائية أكبر بكثير مما يتحمله جسم الإنسانعلاوة على ذلك ، إذا كنت لا تريد أن تكون عديم الوزن خلال رحلة طويلة ، وتخضع لتأثيرات بيولوجية رهيبة مثل فقدان كتلة العظام والعمى الكوني ، فمن الضروري أن تعمل القوة المستمرة على جسمك. بالنسبة لقوى غير الجاذبية ، لن تكون هذه مشكلة. على سبيل المثال ، من أجل التعرض الكهرومغناطيسي ، سيكون من الممكن وضع الأمر في غلاف موصل وهذا سيزيل جميع المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية. وبعد ذلك ، سيكون من الممكن ترتيب لوحين متوازيين وتنظيم مجال كهربائي ثابت يجعل الشحنات تتحرك في اتجاه معين.
أوه ، إذا عملت الجاذبية بنفس الطريقة.
رسم تخطيطي لمكثف ، لوحان موصلان متوازيان لهما نفس الحجم وشحنات إشارة مختلفة ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا بينهمالا توجد "موصلات جاذبية" ، ولا يمكن حماية الجاذبية. من المستحيل إنشاء مجال جاذبية موحد بين أي صفائح في مساحة معينة من الفضاء. والسبب هو أنه على عكس الكهرباء الناتجة عن الشحنات الإيجابية والسلبية ، فإن "شحنة" الجاذبية هي من نفس النوع ، طاقة الكتلة. إن قوة الجاذبية دائمًا جذابة ، ولا يمكن فعل شيء حيال ذلك. سيكون عليك القيام بكل شيء ممكن مع الأنواع الثلاثة المتاحة من التسارع - الجاذبية والخطية والتناوب.
تتكون الغالبية العظمى من الكواركات واللبتونات من المادة ، ولكن لكل منها جزيئات المادة المضادة ، التي لم يتم تحديد كتل الجاذبية لهاالطريقة الوحيدة لخلق جاذبية اصطناعية ، والتي يمكن أن تحميك من تأثيرات تسارع السفينة وتعطيك سحبًا مستمرًا "للأسفل" بدون تسارع ، ستفتح نوعًا جديدًا من كتلة الجاذبية السلبية. جميع الجسيمات والجسيمات المضادة التي اكتشفناها إيجابية ، لكنها كتل بالقصور الذاتي ، أي كتل تتعلق بتسارع أو إنشاء الجسيمات (أي أنها م من المعادلتين F = ma و E = mc
2 ). أظهرنا أن الكتل الخاملة والجاذبية لجميع الجسيمات المعروفة تتزامن ، ولكن حتى الآن لم تجر فحوصات شاملة بما فيه الكفاية عن المادة المضادة والجسيمات المضادة.
تعاون ALPHA أقرب من التجارب الأخرى لقياس سلوك المادة المضادة المحايدة في مجال الجاذبيةوالتجارب جارية الآن! في
تجربة ALPHA في CERN ، تلقوا مضادًا للهيدروجين - شكل مستقر من المادة المضادة المحايدة - ويعملون الآن على عزله عن جميع الجسيمات الأخرى بسرعات منخفضة. إذا تبين أنها حساسة بما يكفي ، يمكننا قياس الاتجاه الذي ستتحرك فيه المادة المضادة في مجال الجاذبية. إذا سقطت ، كالمعتاد ، فإن كتلتها الجاذبية أكبر من الصفر ، ولا يمكن استخدامها لإنشاء موصل جاذبية. ولكن إذا وقعت ، سوف يغير كل شيء. ستؤدي النتيجة التجريبية الوحيدة فجأة إلى جعل الجاذبية الاصطناعية ممكنة جسديًا.
القدرة على الحصول على الجاذبية الاصطناعية مغر ، لكنها تتطلب وجود كتلة جاذبية سلبية. يمكن أن تصبح المادة المضادة مثل هذه الكتلة ، ولكن هذا لا يزال غير معروف.إذا كانت المادة المضادة لها كتلة جاذبية سلبية ، ثم جعل سقف الغرفة خارج المادة المضادة والأرض من المادة ، يمكننا إنشاء مجال جاذبية اصطناعي يسحبك باستمرار "للأسفل". بعد بناء قشرة السفينة من موصل الجاذبية ، سنحمي كل شخص بداخلها من قوى التسارع فائق الارتفاع ، الذي قد يكون قاتلاً. والأفضل من ذلك كله ، أن الأشخاص في الفضاء لن يعودوا يعانون من تأثيرات فسيولوجية سلبية ، من الاضطرابات في الجهاز الدهليزي إلى ضمور عضلة القلب ، التي تزعج رواد الفضاء الحديثين. ولكن حتى نكتشف جسيمًا (أو مجموعة جزيئات) ذات كتلة جاذبية سلبية ، لا يمكن الحصول على الجاذبية الاصطناعية إلا من خلال التسارع.