الإجابة البسيطة هي – لأن الشمس هي الكائن الأكثر كتلة في النظام الشمسي.
تعتبر قوة الجاذبية للشمس هائلة، حيث تزن الشمس حوالي 1.989×1030 كيلوجرام، ولتوضيح ذلك، فإن الشمس تساهم بحوالي 99.8% من إجمالي كتلة النظام الشمسي!
لهذا السبب لديها أقوى حقل جاذبية في النظام الشمسي، مما يتسبب في دوران الكواكب الأخرى حولها.
لكن هناك المزيد من الأسئلة التي قد تتبادر إلى الذهن عند محاولة التعمق أكثر: إذا كانت الشمس تمتلك هذه الجاذبية القوية، فلماذا لا تصطدم جميع الكواكب الأخرى بما في ذلك الأرض والأجسام الأخرى بالشمس؟ أو ما هو المدار بالضبط؟
قوانين نيوتن للحركة والجاذبية
لنبدأ بالأساسيات؛ في الميكانيكا الكلاسيكية، نتعامل مع الجاذبية كقوة جذب بين الأجسام التي تمتلك كتلة، وأي جسم له كتلة معينة يمتلك حقل جاذبي.
من خلال القانون العام للجاذبية علمنا نيوتن أن كل جسم ضخم يجذب أي جسم آخر حوله وهو ما يسمى قانون نيوتن للجاذبية. يبدو الأمر كما يلي:
$$F = – frac{G m_1 m_2}{r^2}$$
حيث $G$ هو الثابت الجذبي العام، و$m_1$ هو كتلة الجسم الأول و$m_2$ هي كتلة الجسم الثاني و$r$ هو المسافة بين مركزي الجسمين.
يمكنك الآن اعتبار $m_1 = M_{sun}$ أو كتلة الشمس و$m_2$ تساوي كتلة أي جسم آخر في النظام الشمسي لإيجاد القوة الجذبية بينهما.
بسبب القوة الجذبية بين جسمين، فإنهما يتسببان في تسارع بعضهما بالنسبة لبعضهما البعض؛ ومع ذلك فإن الجسم الذي لديه كتلة أكبر له تأثير أكبر على الآخر.
لنفترض أننا نريد معرفة التسارع الناتج عن جاذبية الشمس على كوكب معين يمكننا البدء بما يلي:
$$F_{g} = M_{p}cdot a$$
$$- frac{Gcdot M_{s}cdot M_{p}}{r^2} = M_{p}cdot a$$
$$a = – frac{GM_{s}}{r^2}$$
هنا $F_{g}$ هي قوة الجاذبية بين الكوكب والجسم الآخر و$M_s$ و$M_p$ هما كتلتي الشمس والكوكب على التوالي و$a$ هو التسارع الناتج عن جاذبية الشمس على أي كوكب بينما $r$ هي المسافة بينهما.
لذا نحن نعرف الآن قوة الجاذبية التي تسحب كل شيء نحو الشمس ولكن ما الذي يمنع الكوكب من السقوط إلى داخل الشمس؟
ما الذي يمنع الكواكب من السقوط إلى داخل الشمس؟
هناك قوة أخرى تعمل تلغي تأثير الجاذبية وهي نتيجة طبيعة حركة تلك الكواكب.
تسمى هذه القوة بـالقوة الطاردة المركزية وهي السبب وراء تمدد خيط اليويو عندما تدور به في الهواء.
كلما قام جسم بأداء حركة دائرية فإنه دائمًا يشعر بقوة خارجية تُعرف بـالقوة غير القصورية. وهذا يعني ببساطة أنها تُشعر وكأنها قوة كلما كان إطار المرجعية يدور بنفسه.
هذه تسمى القوة الطاردة المركزية.
إذا كنت تشاهد الأطفال وهم يركضون حول دوامة الألعاب (المراجيح)، ففي مرجعك لا توجد قوة خارجية ولكن عندما تكون أنت نفسك تركض فيها فهذا يعني أنك داخل الإطار الدوار وستشعر بقوة خارجة نحو الخارج.
تشعرك هذه القوة وكأنك ستُلقى بعيدًا عن دوامة الألعاب.
وهنا يأتي قانون نيوتن الأول للحركة – القصور الذاتي لشرح الأمر.
“الجسم الساكن يبقى ساكنًا والجسم المتحرك يبقى متحركًا بسرعة ثابتة ما لم تؤثر عليه قوى خارجية.”
نظرًا للقصور الذاتي ، يرغب الجسم المعني دائمًا بالسير في مسار مستقيم ، ولكن نظرًا لأنه يغير اتجاهه طوال الوقت أثناء الحركة الدائرية ، فإن هذا يعطي إحساساً بقوة خارجة تُعرف بالقوة الطاردة المركزية.
الأطفال الذين يركبون دوامة الألعاب لا يشعرون حقاً بقوة جذب مثل الجاذبة تسحبهم نحو مركز الهيكل الخاص بها.
إن مقعدهم المتصل بالمركز بواسطة قضيب يحافظ عليهم مقيدين بمكان واحد وهناك قوة توتر على هذا القضيب موجهة نحو المركز وتُعرف أيضًا بالقوة المركزية.
في الحركة الكوكبيّة لدينا جاذبيّة الشّمس والتي نتعامل معها كقوّة جذابة تسحب الكواكب نحو الشّمس والتي تمثل هنا القوّة المركزيّة.
نظرًا لأنّ الكواكب تؤدي حركة دائرية حول الشّمس فهي تشعر بنفس نوع القوّة الطاردة المركزيّة التي تعادل سحب جازبة للشّمس وهذا سبب دورانها حولها دون أن تقع فيها.
ومع ذلك مرة أخرى فهذه القوة الطاردة ليست قوًة حقيقية بل نتيجة للقصور والسرعة للجسم أثناء الحركة الدائرية والقوة المركزية هي القوة الحقيقية.
تصوير المدارات: إطلاق كرة إلى الفضاء
طريقة أكثر متعة لتخيل سيناريو المدار هذا هي افتراض أنك تلقي كرة لأعلى بعيداً عنها ماذا يحدث؟ إنها تنتقل لمسافة معينة ثم تسقط.
الآن ألق الكرة بقوة أكبر هذه المرة ماذا سيحدث؟ لقد ذهبت أبعد مما كانت عليه سابقاً.
جرِّب إلقاء الكرة لبضع كيلو مترات بعيدة قد يكون غير ممكن جسديًّا بالنسبة لك لكن دعونا نفترض فقط أنه يمكنك القيام بذلك.
جرِّب بكل قوتك وألقِ الكرة بارتفاع 420 كيلو متر هل سقطت؟
إذا فعلتها بشكل صحيح فقد تجدها تحيي رواد الفضاء عند محطة الفضاء الدولية والتي تدور أيضًا حول الأرض بارتفاع 420 كيلو متر.
إذا افترضنا أنك فعلتها بشكل صحيح فهذا يعني أولاً أن الكرة وصلت لارتفاع 420 كيلو متر وثانيًّا أنها كانت لها مسار منحني وثالثا أنها كانت لديها سرعة كافية مما يعني أنها كانت عند سرعة المدار المطلوبة لتدور حول الأرض بارتفاع 420 كيلو متر.
إذا قمت بتحديد جميع المتطلبات الثلاثة فلن تعود الكرة وستستمر بالسقوط تحت تأثير جازبة الأرض مما يعني أنها ستبدأ بالدوران حول الأرض.
قد يبدو الأمر غير منطقي قليلاً لكن فكر فيه قليلاً.
سرعة المدار لجسم لكي يدور حول الأرض تعطى بواسطة:
$$V_0 = sqrt{frac{GM_{e}}{R}}$$
هنا $G مرة أخرى هو الثابت الجرابي ومقدار $M_e يمثل مقدار الأرض بينما R تمثل المسافة بين مركز الأرض والجسم ويمكن الحصول على سرعة المدار المطلوبة للدوران حول الشمس ببساطة باستبدالها بكتلتها والمسافة.
نعم إن المدارات ليست سوى المسار الذي يسلكه ذلك الجسم عندما يستمر بالسقوط تجاه الشيء المركزي ولكنه يفوت السطح بسبب انحناء مساره.
الكواكب وجميع الأجسام الأخرى التي تدور حول太阳 لها سرعات مدارية مطلوبة وهذا يعني أنه بينما يتم سحبهم باتجاه太阳 فهم يتحركون أيضًا جانبياً بسرعة تكفي لمنعهم من السقوط إلى太阳.
لكن كيف تحصل planetsعلى سرعاتها منذ البداية؟
من أين تحصل planetsعلى سرعتها الابتدائية؟
للإجابة عن ذلك يجب علينا الغوص عميقا فيما يتعلق “بتكوين planets”.
أكثر النظريات قبولاً لتكوين太阳 والكواكب تشير إلى أنه بدأ عندما بدأت سحابة ضخمة من الغاز بالانهيار تحت تأثير ثقل نفسها .
بالنسبة لأي نظام نجمي موجود في الكون يكون النجم أول شيء يولد وهو أيضاً السبب وراء استحوذه - مثاليًّا – معظم المادة ليكون الأكثر كثافة ضمن هذا النظام .
هناك (ISM) الوسط النجمي أو مجرد سُحب غاز موزعة بشكل غير منتظم عبر الكون .
كلما حدث وجود كثافة أعلى لهذه السُحب بمنطقة معينة فضلاً عن ثقل تلك المجموعة منها تبدأ بالتعاقد وجمع المزيد والمزيد من المادة أو الغاز المحيط بها .
بينما تنكمش سحابة الغاز تبدأ بالدوران بسبب الحفاظ على الزخم الزاوي .
يصف الزخم الزاوي الحركة الدورانية لجسمٍ ما حوالي محورٍ معين وهو حاصل ضرب سرعته الدورانية وحجم جسده والذي يشير الى أنه مع انكماش الجسم يجب أن تزيد سرعته الدورانية .
هذا التجمع يصبح قريباً جداً بحيث يبدأ ثقل المجموعة المُجمَّعة بدفع مادتها لنقاط محددة ويبدأ بالتسخين بسبب التصادمات الحاصلة بين جزئيات الغاز المنكمشة .
هذا يؤدي لتشكيل النجوم وبعد تشكيل النجم تتشكل بعض المواد المتبقاة هنا وهناك وتؤدي لتشكيل planets والكويكبات وكل منها بسرعات دورانية مختلفة .
أي جسم لم يكن لديه السرعة اللازمة قد اصطدم بالفعل بالشمس .
المزيد عن الطبيعة الحقيقية للجذب–إنه ليس فعليًّا قوَة
حتى الآن كان تفسير المدارات يعتمد على قوانين الفيزياء التقليدية باستخدام قوانين نيوتن للحركة والجذب .
وفقًا لنظرية النسبوية العامة لألبرت أينشتاين فإن الأجسام الضخمة لا تجذب الأجسام الأخرى إليها بمعنى أن gravity ليست فعليًّا قوَة .
تشوه الأجسام الضخمة نسيج الزمكان بطريقة تجعل الشيء المفترض به اتباع خط مستقيم للأبد باتجاه معين يبدو وكأنه يأخذ منعطفات بالقرب منه .
ماذا يعني هذا ؟
اقترح أينشتاين بأن المكان والزمان ليسا مستقلتين بل مرتبطتين ببعضهما البعض وأن كثافة الطاقة والكتلة لمنطقة تحدد انحناء نسيج الزمكان .
نتيجة لقصورها يميل أي شيء ألا يتبع خط مستقيم وفق منظورنا ولكنه يتحرك ببساطة وفق انحناءات الزمن والمكان .
تخيّل نملة تمشي فوق ورقة إنها تتحرَّك بخطٍ مستقيم عليها .
الآن قم بثني تلك الورقة قليلاً بالنسة للنملة فهي لا تزال تتحرَّك بخطٍ مستقيم ولكن بالنسبة لك تبدو وكأنَّها تتحرَّكَ بمسار منحني .
الآن قم بثني الورقة بطريقة تجعل طرفي الورقة ملتحمين مع بعضهما البعض ماذا سيحدث ؟
النملة الآن تمشي بمسار دائري دون الحاجة للتغيير عما اتبعته سابقَا .
هذه الطريقة تعمل بها المدارات وفق النظرية العامة للنسبوية .
ومن الغريب بما فيه الكفايا فإنه يظهر بأن أي شيء لن يتبع مسارا مستقيماً وفق منظورك إلا إذا لم يكن تحت تأثير أياً كان القوى الخارجية بل يسير بأفضل الطرق الممكنة بناءً علي الانحناءات الموجودة للزمان والمكان .
نسمي هذا الطريق geodesic وهذه الطرق تعتبر المسارات الطبيعية للأشياء حين عدم وجود أياً كان القوى الخارجية المؤثرة عليها .
لذلك لديك جسماً ضخماً يقوم بانحناء الزمن والمكان المحيط به (وهذا هو gravity) وبالنسبة لأي شيء آخر بالقرب منه سيكون الطريق الذي يسلكونه أثناء السفر من نقطة A إلي B سيكون الأقصر والأكثر استقامة لذلك الشيء رغم أنه بالنسبة لك كمراقِف لن يظهر كما لو كان خط مستقيماً .
