چگونگي پديدار شدن ميدان گرانش منفي
[ نيروي ضد جاذبه ، انرژي تاريك ، توجيه حركت شتابدار كهكشانها در كيهان ]
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 ، در هر دو حالت پرتابه به شرايط بي وزني ميرسد و هيچگاه به سطح سياره زمين سقوط نخواهد كرد . 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 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 گرانشي 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 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 ، r شعاع مدار يا فاصله پرتابه از مركز 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 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=wr
كه w همان سرعت زاويه ( راديان بر ثانيه ) ميباشد :
نكته شگفت انگيز در اين معادلات اين است كه w 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 :
سياه چاله اي ( 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 سياه چاله ، كمتر از شعاع 40.682 كيلومتري
2- مرز ميدان گرانش صفر ، مدار 40.682 كيلومتري
3- برد ميدان گرانش منفي ، از شعاع 40.682 كيلومتري تا بينهايت . در واقع برد ميدان گرانشي اين سياه چاله بينهايت است ولي شتاب گرانشي آن بعد از شعاع 40.682 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 مسايل 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 انبساط شتاب دار كيهان چيست ؟
3- جهت توجيه انبساط عالم هيچ نيازي جهت ارايه و پذيرش نظريه انفجار بزرگ نيست ، براي اينكه اين انبساط به راحتي قابل توجيه است !
