كتاب الجاذبية. الإغراء الأخير لأينشتاين

بعد حل لغز الجاذبية ، سنتمكن من الإجابة عن أعظم أسئلة العلم: ما هو الفضاء؟ ما هي المهلة الزمنية؟ ما هو الكون؟ من أين جاء كل هذا؟ يدعوك مؤلف العلوم الشهير الشهير ماركوس تشاون في رحلة مثيرة - من لحظة الاعتراف بالجاذبية كقوة جسدية في عام 1666 حتى اكتشاف موجات الجاذبية في عام 2015. يقترب التحول التكتوني في أفكارنا عن الفيزياء ، وهذا الكتاب يخبرنا عن الأسئلة التي تطرحها ظاهرة الجاذبية أمامنا.

مقتطفات. القمر: محاولة الهرب

يبطئ تأثير المد والجزر للقمر على الأرض حركة كوكبنا ، ويقلل من لحظة دورانه. هناك مبدأ أساسي للفيزياء ، يسمى الحفاظ على الزخم أثناء الدوران ، والذي بموجبه لا يتغير عزم دوران النظام المعزول (المغلق) أبدًا. وهذا يعني أنه في حالة انخفاض عزم دوران الأرض ، يجب أن تعوض عزم الدوران لعنصر آخر في النظام عن ذلك بزيادة. في حالتنا ، هناك خيار واحد فقط - القمر.

يخلق جاذبية القمر اثنتين من المطبات المدية على جانبي الأرض ، لكن ذلك الذي يظهر على نفس جانب القمر يجذبه بأكبر قوة. كما نعلم بالفعل ، عادة ما يمر هذا التل المدّي بالقمر في مداره ، لأن الأرض تصنع ثورة حول محوره بشكل أسرع من القمر الذي يمر حوله. لذلك ، فإن جاذبية الأرض تسحب القمر إلى الأمام في مداره ، مما يمنحه تسارعًا.

يرجى ملاحظة أن قوة الجاذبية الأرضية على مسافة إلى القمر لها نفس القيمة المطلوبة تمامًا لثني مسار جسم يتحرك بسرعة القمر وإعطائه شكل مدار مغلق ، والذي نلاحظه. وبناءً على ذلك ، إذا تحرك القمر بسرعة كبيرة ، فستتجاوز سرعته الضرورة وستطير من المدار. فيما يتعلق بالأرض ، فإن "ما وراء المدار" يعني الأعلى ، لكننا نعلم أنه إذا قمت برمي جسد (على سبيل المثال ، كرة) لأعلى ، فستعمل الجاذبية على إبطاء هروبها. من المفارقات أن القمر ، الذي يسرعه تفاعل المد والجزر مع الأرض ، يتحرك ببطء أكبر مع المسافة من الأرض. وبسبب هذا ، يزيد عزم الدوران إلى القيمة المطلوبة.

وهذا ليس مجرد منطق نظري. تركت المركبة الفضائية الأمريكية المأهولة Apollo 11 و Apollo 14 و Apollon 15 ، بالإضافة إلى المركبات السوفيتية غير المأهولة Lunokhod-1 و Lunokhod-2 ، عاكسات على سطح القمر. تسمى هذه المرايا بحجم القبضة أيضًا عاكسات زاوية ، ويمكنها أن تعكس الضوء تمامًا في الاتجاه الذي تأتي منه. أي أنه يمكنك توجيه شعاع الليزر إلى القمر بحيث ينعكس عن العاكس الزاوي ، ثم قياس الوقت الذي يعود فيه إلى الأرض. بمعرفة سرعة الضوء ، يمكنك بسهولة حساب المسافة إلى القمر.

تظهر التجارب أنه في كل عام تزداد المسافة التي يقطعها الشعاع المنعكس من القمر بمقدار 3.8 سم. وبعبارة أخرى ، يتحرك القمر كل 12 شهرًا بعيدًا عن الأرض بمسافة تساوي تقريبًا طول الإبهام. إذا كان عمرك 70 عامًا ، فقد سلكت في حياتك مسارًا يساوي طول السيارة.

مراقبة الكسوف الكلي

حقيقة أن القمر كل عام يبعد 3.8 سم عن الأرض يعني أنه كان قريبًا منا كثيرًا. وهذا ، بدوره ، أثر على مظهر الكسوف الكلي - واحدة من أكثر الظواهر الطبيعية المذهلة.

كما نعلم بالفعل ، يحدث كسوف كلي عندما يمر القمر بين الأرض والشمس ، ويغطي القرص الشمسي ويلقي بظلاله على الأرض. الكسوف الكلي ممكن لأن الشمس ، على الرغم من أنها أكبر من القمر 400 مرة ، أبعد عنا 400 مرة. لهذا تبدو الشمس والقمر متساوية في الحجم بالنسبة لنا في السماء. هذا ظرف جيد بالنسبة لنا. على الرغم من حقيقة وجود أكثر من 170 قمرًا في النظام الشمسي ، فمن المستحيل مشاهدة كسوف كلي من أي كوكب. علاوة على ذلك ، كنا محظوظين ليس فقط بالمكان ، ولكن أيضًا بمرور الوقت.

كلما ابتعد القمر عن الأرض ، بدا في الماضي أكبر ، وسيصبح أصغر في المستقبل. على ما يبدو ، بدأ أول كسوف كلي منذ حوالي 150 مليون سنة ، وبعد 150 مليون سنة أخرى لن يكون على الإطلاق. يمكن لسكان الأرض مشاهدة كسوف كامل فقط لفترة قصيرة من وجودها. على سبيل المثال ، في زمن الديناصورات لم يكونوا هناك.

حقيقة أن القمر يتحرك بعيدًا عن الأرض ، وكان قريبًا منه في الماضي ، مدمجة تمامًا مع نظرية أصله.

الكوكب الذي كان يلاحق الأرض

القمر كبير جدًا بالنسبة للأرض ، ويبلغ قطره حوالي ربع قطر كوكبنا. تبدو جميع الأقمار الأخرى في النظام الشمسي صغيرة جدًا بجوار كواكبها. باستثناء بلوتو ، الذي يكون قمره أكبر بالنسبة لحجمه ، ولكن منذ عام 2006 ، توقف بلوتو عن اعتباره كوكبًا.

يشير لنا هذا الحجم من القمر إلى أن أصلها كان غير عادي. يقترح العلماء أنه قبل 4.55 مليار سنة ، عندما تشكل كوكبنا للتو ، اصطدم بجسم سماوي مع كتلة تساوي تقريبًا كتلة المريخ (اليوم يسمى هذا الكوكب الافتراضي Theia). تحولت الطبقات الداخلية للأرض إلى سائل ، وتناثر جزء من الوشاح في فراغ. تشكلت حلقة حول كوكبنا ، على غرار تلك التي تحيط بها عمالقة الغاز في النظام الشمسي. من هذه الحلقة ، تشكل القمر بسرعة ، وكان مداره في ذلك الوقت أقرب إلى الأرض بعشر مرات. بعد ذلك ، بدأ القمر في الابتعاد تدريجيًا عن كوكبنا.

تم العثور على تأكيد لنظرية الانفجار الكبير خلال برنامج أبولو الأمريكي للفضاء ، والذي بفضله نعرف أن تكوين القمر مشابه لتكوين الوشاح الخارجي للأرض. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي الصخور القمرية على ماء أقل بكثير من المنحدرات الأرضية الأكثر جفافًا. هذا يؤكد أنهم تعرضوا ذات مرة لدرجات حرارة عالية. السؤال الوحيد هو: حتى لا يدمر جسم بكتلة كوكب المريخ كوكبنا بأكمله ، ولكن يخلق القمر فقط ، يجب أن يسير على طول المماس إلى الأرض بسرعة منخفضة جدًا. ومع ذلك ، فإن جميع الأجسام الكونية التي تتحرك في مدارات حول الشمس (سواء داخل مدار الأرض أو خارجها) تكون سريعة جدًا على هذا.

لن تعمل نظرية الانفجار الكبير إلا إذا كان تيا في نفس مدار القمر. يمكن تشكيله من الحطام عند نقطة ثابتة من Lagrange ، أي 60 درجة أمام الأرض أو خلفها في مدار حول الشمس. اليوم ، تتحرك شظايا الكويكبات نفسها في مدار المشتري 60 درجة أمامه وخلفه ، حتى يبدو المشتري عائمًا في بحر سارغاسو. وفقًا لنظرية الإنفجار الكبير ، تابعت تيا الأرض لملايين السنين ، ثم انتقلت إلى مدار آخر ، مما تسبب في تصادم.

نظرًا لأن قوة الجاذبية للجسم تضعف مع مربع المسافة منه ، فإن قوى المد والجزر ، التي يتم تفسيرها باختلاف الجذب ، تنخفض مع مكعب المسافة. كان القمر المشكل حديثًا أقرب إلى الأرض بعشر مرات مما هو عليه الآن ، مما يعني أن قوة المد والجزر التي أثرت بها على الأرض كانت مرات أكثر من الآن. في ذلك الوقت ، لم يكن للأرض محيطات بعد ، ولكن إذا كانت موجودة ، فسترتفع المياه فيها مرتين في اليوم ، ليس بمقدار مترين ، ولكن بالكيلومترات.

ولكن ليس القمر الجديد فقط هو الذي أثر على الأرض. كما عملت الأرض نفسها عليها مع قوة المد والجزر زادت 1000 مرة. كان تثبيط حركة القمر قويًا جدًا ، على الأرجح ، تم تثبيته فيه مبكرًا جدًا (لمدة حوالي عشرة ملايين سنة بعد تكوينه). منذ ظهور الكائنات الحية الدقيقة الأولى على الأرض بعد ذلك بكثير ، قبل حوالي 3.8 إلى 4 مليار سنة ، لم يلاحظ أي كائن حي الجانب العكسي للقمر يدور في سماء الليل.

لم يتحرك القمر دائمًا بهذه السرعة

يطرح سؤال مثير للاهتمام: هل ابتعد القمر دائمًا عن الأرض بسرعة 3.8 سم في السنة؟ في عام 2013 ، اكتشفت مجموعة من العلماء بقيادة ماثيو هوبر من جامعة بوردو (وست لافاييت ، إنديانا) كيف كان هذا الوضع قبل 50 مليون سنة. لقد أدخلوا بيانات عن أعماق المحيطات وخطوط القارات الموجودة في ذلك الوقت في جهاز محاكاة للكمبيوتر المد والجزر ، واستناداً إلى مؤشراته ، خلصوا إلى أنه في ذلك الوقت كان القمر يتحرك بعيدًا عن الأرض بشكل أبطأ ، على الأرجح مرتين.

يتعلق الأمر برمته بالمحيط الأطلسي ، وهو واسع بما يكفي اليوم لتشكيل سنام مد وجزر كبير ، يؤثر على القمر ويجعله يتراجع بسرعة كافية ؛ قبل 50 مليون سنة ، لم يكن المحيط قد اتخذ شكله الحالي حتى الآن ، لذلك كان سنام المد أصغر ، وكان تأثيره على حركة القمر أضعف. في ذلك الوقت ، كانت منطقة المحيط الهادئ مسؤولة عن معظم تأثير المد والجزر.

هذا المثال هو مثال آخر على مدى تعقيد نظام المد والجزر. ويعتمد ارتفاعها وقوتها على إبطاء حركة الأرض وتسريع تراجع القمر ، على مدى سهولة تحرك حدبات المد والجزر عبر المحيط. وهذا ، بدوره ، يرجع إلى موقع القارات ، والذي يتغير باستمرار بسبب الانجراف القاري (تكتونية الصفائح ، كما يطلق عليها رسميًا).

نظرًا لحقيقة أنه من المستحيل التنبؤ بحركة الألواح على المدى الطويل ، لا يمكننا أيضًا معرفة متى سيتباطأ دوران الأرض بحيث يتم تحويله إلى الأبد جانبًا واحدًا إلى القمر. نحن نعرف شيئًا واحدًا فقط: لكي تبدأ الأرض في إحداث ثورة كاملة حول محورها في 47 يومًا ، والقمر للانتقال بعيدًا عنه حتى يستغرق مساره المداري 47 يومًا أيضًا ، يجب أن تمر عشرة مليارات سنة على الأقل. نحن نعلم بالفعل أن هذا سيناريو افتراضي تمامًا ، لأنه بحلول هذا الوقت ستتحول الشمس إلى عملاق أحمر مرعب ، مشرقة أكثر إشراقًا بمقدار 10000 مرة من اليوم ، وتدمير (أو على الأقل تغيير كبير) نظام الأرض والقمر.

المد والجزر لها خاصية أخرى. في كل يوم ، عندما تدور الأمواج على الساحل ، ثم تعود إلى البحر ، تلتقط العديد من الحصى الصغيرة. يؤدي الاحتكاك بين الأحجار التي تتصادم باستمرار مع بعضها البعض إلى توليد طاقة حرارية تمتصها البيئة. إن فقدان الطاقة هذا يؤدي في النهاية إلى تباطؤ في دوران الأرض.

يسخن المد الأرض قليلاً ، وإذا ذهبت للسباحة في البحر ، فلن يحرق الرمل ولا الحجارة قدميك. ولكن يوجد في النظام الشمسي مكان واحد حيث يولد المد طاقة أكثر بكثير من الطاقة الحرارية. هذا هو القمر الصناعي العملاق لكوكب المشتري الذي اكتشفه جاليليو عام 1609.

بيتزا القمر

8 مارس 1979 يطير مسبار الفضاء فوييجر -1 التابع لوكالة ناسا عبر نظام المشتري أسرع من الرصاصة ، وهرع لمقابلة زحل في عام 1980. ولكن قبل أن يغادر عملاق الغاز المسبار إلى الأبد ، يجبره فريق التحكم على إعادة الكاميرا إلى الخلف والتقاط لقطة وداع لـ Io. كانت ليندا مورابيتو ، مهندسة الملاحة ، أول من شاهد الصورة ، حيث غطت مسافة 640 مليون كيلومتر من مركز التحكم في المهمة ، وكانت تحبس الأنفاس. ينكسر عمود من غاز الفوسفور من نصف القمر الصغير المرئي فقط.

كان مورابيتو هو الأول في تاريخ البشرية الذي رأى البراكين الخارقة لـ IO. في اليوم التالي ، اعتمد فريق إدارة فوييجر بالكامل على صور مكبرة وبيانات لقياس درجة الحرارة. اكتشفوا ثمانية أعمدة غاز عملاقة ، مما أدى إلى إلقاء المواد على بعد مئات الكيلومترات. اتضح أن Io هو الجسم الكوني الأكثر نشاطًا جيولوجيًا في النظام الشمسي ، حيث يوجد أكثر من 400 بركان. الثقوب التي يتم من خلالها إلقاء الصخور البرتقالية والأصفر والبنية على سطح Io ، مما يجعلها تبدو مثل البيتزا ، تشبه السخانات في حديقة يلوستون. بمعنى ما ، البراكين أيو نبع ماء حار. لا تهرب الحمم فيها إلى السطح ، ولكنها تسخن ثاني أكسيد الكبريت السائل ، الموجود مباشرة تحت لحاء أيو ، ويتحول إلى غاز. ثم يتم طرح الغاز مثل البخار الموجود في السخان الأرضي.

في كل عام ، يطلق Io حوالي 10000 مليون طن من المادة في فراغ ، ثم يسقط على السطح ، ويغطيها بالكبريت ، مثل الأرض حول السخانات في يلوستون. لهذا السبب يبدو Io مثل بيتزا عملاقة في الصور. الألوان الزاهية هي مجرد طبقات من الكبريت لها درجات حرارة مختلفة.

المفتاح لفهم البراكين الفائقة Io هو المشتري ، كتلة الأرض 318 مرة. Io على نفس المسافة من القمر من الأرض. ولكن بسبب قوة جاذبية المشتري الهائلة ، يدور أيو حوله ليس في 27 يومًا ، مثل قمرنا ، ولكن في 1.7 يومًا فقط. الجاذبية التي تعمل على حدبات المد والجزر في أيو أوقفت دورانها لفترة طويلة ، بحيث يتحول القمر الآن باستمرار إلى كوكبه على جانب واحد. فقط تخيل نوع الرؤية التي ستفتح أمام الناس إذا كانت المركبة الفضائية تجلس على سطح Io: كوكب المشتري وحلقاته الغائمة متعددة الألوان ستحتل ربع السماء.

نظرًا لأن Io ثابت في موضع واحد ، فإن حدبتي المد والجزر التي نشأت تحت تأثير جاذبية المشتري سيتم توجيهه إليه مباشرة منه مباشرة. لن تتحرك في الحجر ، حيث تتحرك أكوام المد والجزر الأرضية في المحيطات. إذا حدث شيء من هذا القبيل على Io ، فستتمدد الصخور الصلبة وتتقلص باستمرار ، وتسخن تدريجيًا بسبب الاحتكاك (تسخن الكرة المطاطية التي تضغط عليها في يدك بنفس الطريقة). نظرًا لأن هذا لا يحدث ، فمن المنطقي افتراض أن درجة حرارة Io لا تزداد تحت تأثير المد والجزر للمشتري.

لكن الأمر ليس كذلك.

يلعب قمران آخران اكتشفهما غاليليو دورًا رئيسيًا في تسخين Io ، وهما يتحركان في مدارات أبعد من الكوكب - أوروبا وغانيميد. جانيميد هو أكبر قمر في النظام الشمسي وأكبر من عطارد. في الوقت الذي يستغرقه Io في التجول حول المشتري أربع مرات ، تقوم أوروبا بذلك مرتين ، وجانيميد - مرة واحدة. وبسبب هذا ، يتحول ساتلان دوريًا إلى محاذاة في سطر واحد ، مما يعزز تأثيرهما على Io. يبدو أنهم يسحبون أيو إلى الجانب ، ويمتد مدارها. وبالتالي ، يتحرك أيو باستمرار في اتجاه إما المشتري أو بعيدًا عنه. هذه الحركة هي التي تجعل Io يسخن من الداخل.

نعم ، يتم توجيه حدبات المد والجزر من Io مباشرة من المشتري. ولكن عندما يقترب Io من كوكبه ، ينمو الحدبة المدية ، وعندما يغادر ، يتناقص الحدبة. نظرًا للحركة المستمرة للصخور ، يتم إما ضغطها أو تمديدها ، وبسبب هذه العملية ، يتم تسخين Io كثيرًا بحيث أنه ، وليس الشمس ، هو الذي ينتج أكبر حرارة لكل رطل من الوزن في النظام الشمسي.

لغز بلوتو وشارون

زوج المشتري والمشتري ليس الوحيد في النظام الشمسي الذي تم فيه إصلاح جسدين سماويين يتحركان في مدارات حول بعضهما البعض في وضع لا يظهر فيه سوى جانب واحد من الآخر لكل منهما. هناك أيضًا بلوتو وقمره الضخم شارون.

الشيء الأكثر إثارة للاهتمام في Charon هو أن قطرها يساوي نصف قطر بلوتو. وبفضل هذا ، كان بلوتو يعتبر لبعض الوقت كوكبًا به أكبر قمر (بالنسبة لحجمه) في النظام الشمسي. ولكن في عام 2006 ، حرم الاتحاد الفلكي الدولي كوكب بلوتو من مركز الكوكب ونقله إلى فئة الكواكب القزمة. وهي الآن واحدة من عشرات الآلاف من حطام الجليد الذي يدور حول الشمس على حدود النظام الشمسي.

يتكون حزام كويبر من حطام جليدي ترك بعد ظهور الكواكب. لم يعمل الكوكب منها لأنها كانت متناثرة للغاية. يشبه حزام كويبر الحزام الداخلي للكويكبات في النظام الشمسي - وهو تفريغ آخر من حطام البناء الكوكبي الذي لم يستطع التركيز في نقطة واحدة تحت تأثير قوة الجاذبية للمشتري.

تبدأ الحافة الداخلية لحزام كويبر بالقرب من نبتون (أي أن المسافة منه إلى الشمس أكبر بنحو 30 مرة من الأرض) ، وتنتهي الأطراف الخارجية على مسافة أكبر من الشمس 50 مرة أكبر من تلك التي تقع عليها الأرض. على الرغم من الاسم ، تنبأ الجندي الأيرلندي السابق والفلكي الهواة كينيث إيدجوورث لأول مرة بوجود هذا الحزام في عام 1943 ، لذا كان من المفترض أن يطلق عليه حزام إيدجوورث-كويبر.

يفي بلوتو بمعياري الكوكب اللذين صاغهما الاتحاد الفلكي الدولي في عام 2006: إنه مستدير ويتحرك في مدار حول الشمس. ولكن نظرًا لوجود العديد من الأشياء من حزام كويبر بجواره ، فإنه لا يلتزم بالمتطلب الثالث - وهو مدار مجاني لا توجد فيه أجرام سماوية أخرى.

في 14 يوليو 2015 ، طارت محطة نيو هورايزونز التابعة لوكالة ناسا عبر نظام بلوتو-شارون مثل قطار عالي السرعة ، مروراً 14000 كيلومتر فقط فوق الجسم السماوي ، والذي كان لا يزال يُعتبر كوكبًا في وقت إرسال المحطة. دهش موظفو مركز مراقبة المهمة على الأرض. توقعوا أن يروا عالمًا ميتًا بلا حراك ، ملزما بالبرد الكوني بعيدًا عن الشمس. وبدلاً من ذلك ، ظهرت أمامها جليد النيتروجين وجبال من الجليد ، كانت قممها مخفية في دوامات من السحب الرقيقة. والمثير للدهشة ، أن منطقة ما يسمى تومبو (بقعة وردية على بلوتو ، على شكل سحابة وسميت باسم مكتشف بلوتو كلايد تومبو) لم يكن لديها فوهة واحدة ، على عكس بقية الكوكب. وهذا يعني أن الجليد تشكل هنا مؤخرًا نسبيًا.

من أين تأتي الطاقة لهذا النشاط غير العادي؟ يتم تسخين الطبقات الداخلية للأرض بسبب النشاط الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم ، ولكن هذا لا يكفي لتدفئة بلوتو. يتم أيضًا استبعاد التدفئة تحت تأثير قوة المد والجزر في تشارون ، حيث أن عملية مماثلة مستحيلة في نظام حيث يتحرك القمر في دائرة حول الكوكب ويتم تحويل كل من الأجرام السماوية دائمًا إلى بعضهما البعض على نفس الجانب. ومع ذلك ، فإن هذه القاعدة تعمل فقط إذا كان Charon في مدار بلوتو في وقت تكوين النظام الشمسي ، في نفس الوقت الذي أصبح فيه القمر قمرًا صناعيًا للأرض. إذا حصل بلوتو على قمره الصناعي مؤخرًا (على مدى نصف مليار سنة) ، لكانت التدفئة تحت تأثير قوى المد والجزر قد استمرت واستمرت حتى يتم إصلاح بلوتو وشارون في موقعهما الحالي بالنسبة لبعضهما البعض. لا أحد يعرف كيف كان ذلك حقًا. هذا السؤال لا يزال مفتوحا.

»يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول الكتاب على موقع الناشر على الويب
» المحتويات
» مقتطفات

ل Khabrozhiteley خصم 20 ٪ على القسيمة - الجاذبية