گرانش، نيروي جاذبه ايست كه بين همه اجرام، به خاطر جرمشان، وجود دارد. جرم يك جسم، مقدار ماده آن است. به دليل وجود گرانش، جرمي كه در نزديك زمين قرار گيرد به سمت سطح اين سياره سقوط مي كند. جرمي كه در سطح زمين است نيز نيرويي به سمت پائين را به دليل گرانش تجربه مي كند. ما اين نيرو را در بدن خود به شكل وزن تجربه مي كنيم. گرانش، گازهاي تشكيل دهنده خورشيد را در كنار هم نگاه مي دارد و باعث مي شود سيارات در مدار خود به دور خورشيد قرار داشته باشند.
مردم، قرنها در مورد گرانش دچار اشتباه بودند. در سال 300 قبل از ميلاد مسيح، فيلسوف و دانشمند يوناني، ارسطو، بر اساس يك باور اشتباه فكر مي كرد كه اجرام سنگين سريعتر از اجرام سبك سقوط مي كنند. اين باور تا اوايل 1600 ميلادي همچنان در بين مردم پابرجا بود تا اينكه دانشمند ايتاليايي، گاليله اين باور را اصلاح نمود. گاليله گفت كه شتاب همه اجرام به هنگام سقوط با هم برابر است مگر اينكه مقاومت هوا يا نيروهاي ديگري بر آن تاثير بگذارد. شتاب يك جرم، مقدار تغيير در سرعت آن جرم است. بنابراين اگر يك جرم سنگين و يك جرم سبك را همزمان با هم از يك ارتفاع پرتاب كنيم در يك زمان به زمين مي رسند.
 

 قوانين گرانش نيوتوني:
ستاره شناسان در گذشته توانستند حركات ماه و سيارات بر فراز آسمان را اندازه گيري كنند. با اين حال تا اوايل سال 1600، هيچيك نتوانستند به درستي اين حركات را توضيح دهند. در آن زمان، ايزاك نيوتون دانشمند انگليسي، ارتباطي را بين حركات اجرام سماوي و نيروي جاذبه زمين توصيف نمود.
در سال 1665، زمانيكه نيوتون 23 ساله بود، سقوط يك سيب اين سوال را در ذهن او ايجاد كرد كه نيروي گرانش زمين تا چه فاصله اي تاثير گذار است. نيوتون كشف خود را در سال 1687 به نام "ريشه هاي رياضي در فلسفه طبيعت " تشريح نمود. نيوتون به كمك قوانين حركت سيارات كه توسط ستاره شناس آلماني يوهانس كپلر كشف شده بود، نشان داد كه چگونه نيروي گرانش خورشيد با افزايش فاصله كاهش مي يابد. او سپس فرض كرد كه گرانش زمين نيز به روشي مشابه در فواصل دور كاهش مي يابد. نيوتون مي دانست كه گرانش زمين، ماه را در مدار خود قرار داده است و مقدار گرانش زمين در آن فاصله را اندازه گيري كرد. او به كمك فرض خود، بزرگي گرانش در سطح زمين را به دست آورد. عدد به دست آمده، بزرگي همان نيرويي بود كه سيب را به زمين كشاند.
قانون گرانش نيوتون مي گويد كه نيروي گرانش بين دو جرم ارتباط مستقيم با جرم آن دو دارد. يعني هر چه جرم آنها بيشتر باشد، نيروي گرانش بين آن دو بيشتر است. اين قانون همچنين مي گويد كه نيروي گرانش بين دو جرم ارتباط عكس با فاصله بين دو جرم به توان دو دارد. براي مثال اگر فاصله بين دو جرم دو برابر شود، نيروي گرانش بين آنها يك چهارم مي شود. فرمول قانون نيوتون به صورت F=m1m2/d2 مي باشد كه در آن F نيروي گرانش بين دو جرم، m1 و m2 مقدار مواد دو جرم و d2 فاصله بين دو جرم به توان دو است.
تا اوايل 1900، دانشمندان تنها يك حركت را مشاهده كرده بودند كه بر اساس قانون نيوتون قابل توضيح نبود و آن جابجايي كوچكي در مدار عطارد به دور خورشيد بود. مدار عطارد، مانند مدار ديگر سيارات بيضي شكل است. خورشيد درست وسط اين بيضي قرار ندارد. به همين دليل يك نقطه در اين مدار نسبت به ديگر نقاط آن به خورشيد نزديكتر است. اما مكان اين نقطه در هر بار گردش سياره به دور خورشيد اندكي تغيير مي كند. دانشمندان به اين جابجايي، سبقت سياره مي گويند. دانشمندان از قانون نيوتون براي محاسبه اين جابجايي استفاده كردند اما نتيجه معادله با آنچه كه مشاهده مي شود اندكي متفاوت است.
 

 تئوري گرانش انيشتين:
در سال 1915، آلبرت انيشتين، فيزيكدان متولد آلمان، تئوري فضا-زمان-گرانش يا تئوري نسبيت عام را معرفي كرد. تئوري انيشتين طرز فكر دانشمندان به گرانش را به كلي دگرگون كرد. البته اين تئوري، قانون نيوتون را رد نكرد بلكه آنرا گسترش داد. در بيشتر موارد، نتيجه اي كه از تئوري نسبيت حاصل مي شد، اندكي با نتيجه به دست آمده از قانون نيوتون متفاوت بود. براي مثال، انيشتين از تئوري خود براي اندازه گيري سبقت مداري سياره عطارد استفاده كرد و نتيجه به دست آمده درست برابر با مشاهدات بود. اين نخستين آزمون براي تائيد تئوري نسبيت عام به حساب آمد.
تئوري انيشتين بر اساس دو چيز استوار بود. اول، ماهيتي به نام فضا-زمان و دوم قانوني كه به نام اصل هم ارزي شناخته مي شود. در رياضيات پيچيده نسبيت، زمان و فضا از هم جدا نيستند. در عوض، فيزيكدانان به مجموعه اي از زمان و فضاي سه بعدي شامل طول، عرض و ارتفاع، فضا-زمان مي گويند. انيشتين چنين بيان كرد كه ماده و انرژي مي توانند با ايجاد انحنا در فضا-زمان، شكل آنرا تغيير دهند و گرانش در واقع تاثير اين انحنا در فضا-زمان مي باشد.
اصل هم ارزي مي گويد كه تاثيرات گرانش و تاثيرات شتاب با هم برابرند. براي درك اين اصل، تجسم كنيد كه شما در سفينه اي هستيد كه به هيچ جرم آسماني نزديك نيست. بنابراين سفينه شما تحت تاثير هيچ گونه نيروي گرانشي قرار ندارد. فرض كنيد كه سفينه شما به سمت جلو مي رود اما شتاب ندارد. به بياني ديگر، سفينه شما با سرعتي ثابت و در جهتي ثابت حركت مي كند. اگر شما توپي را بيرون بگيريد و رها كنيد، توپ سقوط نخواهد كرد. در عوض، در كنار شما معلق خواهد ماند.
اما فرض كنيد كه سفينه شما با افزايش سرعت، شتاب بگيرد. در اين هنگام توپ ناگهان به سمت پائين سفينه سقوط خواهد كرد دقيقا مانند زمانيكه تحت تاثير گرانش قرار بگيرد.
 

 پيش بيني هاي نسبيت عام
از زمانيكه محاسبه سبقت مداري عطارد، تئوري نسبيت را تائيد نمود، مشاهدات زيادي براي بررسي پيش بيني هاي تئوري نسبيت انجام گرفت. برخي از نمونه ها عبارتند از: انحراف پرتوهاي نور و امواج راديويي، وجود امواج گرانش و سياه چاله ها و گسترش كائنات.
 

انحراف پرتوهاي نور
تئوري انيشتين پيش بيني مي كرد كه گرانش مي تواند مسير پرتوهاي نور را هنگاميكه از نزديك يك جرم سنگين عبور مي كنند دچار انحراف كند. انحراف به اين دليل به وجود مي آيد كه اجرام، فضا-زمان را دچار انحنا مي كنند. خورشيد به قدري سنگين هست كه بتواند پرتوهاي نور را منحرف نمايد و دانشمندان در سال 1919، در حين يك كسوف كامل توانستند اين پيش بيني را تائيد كنند.
اين تئوري همچنين پيش بيني كرد كه خورشيد امواج راديويي را منحرف كرده و سرعت آنها را كاهش مي دهد. دانشمندان با اندازه گيري انحرافي كه خورشيد در امواج راديويي ارسال شده توسط كوازارها (اجرام بسيار بسيار قدرتمند كه در مركز برخي كهكشانها قرار دارند) ايجاد مي كند اين پيش بيني را نيز تائيد كردند. محققين تاخير امواجي كه از كنار خورشيد عبور مي كردند را با ارسال سيگنالهايي بين زمين و فضاپيماي وايكينگ كه در سال 1976 به مريخ رسيد، اندازه گيري كردند. آن اندازه گيريها همچنان يكي از پر ارزش ترين تائيديه هاي تئوري نسبيت به حساب مي آيند.
 

امواج گرانشي
تئوري نسبيت نشان داد كه اجرام سنگيني كه به دور يكديگر در چرخشند، امواجي را به نام امواج گرانشي منتشر مي كنند. از سال 1974، دانشمندان حضور اين امواج را به طور غير مستقيم با مشاهده اجرامي به نام تپ اختر دوتايي تائيد كرده اند. تپ اختر دوتايي نوعي ستاره نوتروني است كه با سرعت بسيار زياد به دور جرمي مشابه خود اما كوچكتر و غير قابل مشاهده مي چرخد. ستاره نوتروني متشكل از سلولهاي نوترون، ذره اي كه به طورمعمول تنها در هسته اتمها يافت مي شود، مي باشد.
يك تپ اختر ، دو موج راديويي را در دو جهت مخالف هم منتشر مي كند. با چرخش ستاره حول محور خود، موجها مانند پرتوهاي نور يك نورافكن در فضا پخش مي شوند. اگر يكي از اين امواج راديويي به زمين برسد، تلسكوپهاي راديويي اين موج را به صورت يك سري پالس دريافت مي كنند. با مشاهده دقيقتر تغييرات پالسهاي يك تپ اختر دوتايي، دانشمندان مي توانند دوره مداري (زمانيكه دو ستاره يك دور كامل در مدار خود مي زنند) آن را تخمين بزنند.
مشاهدات تپ اختر دوتايي PSR 1913+16 نشان داد كه دوره مداري آن كاهش مي يابد و ستاره شناسان اين مقدار كاهش را اندازه گيري كردند. دانشمندان همچنين از معادلات نسبيت عام براي محاسبه مقدار كاهش دوره مداري، در صورت انتشار امواج گرانشي، استفاده كردند. مقدار محاسبه شده دقيقا برابر با مقدار اندازه گيري شده بود.
 

سياهچاله ها
تئوري انيشتين حضور اجرامي به نام سياهچاله ها را پيش بيني كرد. سياهچاله منطقه اي در فضا است كه نيروي گرانش آن اجازه گريز به هيچ چيز حتي پرتوهاي نور را نمي دهد. محققان مدارك مستدلي در دست دارند كه نشان مي دهد اغلب ستارگان سنگين در نهايت به سياهچاله تبديل مي شوند و بيشتر كهكشانها داراي يك سياهچاله عظيم الجثه در مركز خود مي باشند.
 

گسترش كائنات
انيشتين در سال 1917، مقاله نسبيت عام را كه مطالعه اي بر كل كيهان بود ارائه نمود. بر اساس اين تئوري، كائنات يا در حال گسترش است و يا در حال انقباض. در آن سال دانشمندان مدارك قاطعي براي پذيرفتن هيچ يك از آن دو حالت در دست نداشتند. انيشتين براي پيشگيري از بروز مخالفت ديگران با تئوري نسبيت عام، عاملي به نام ثابت كيهاني را به تئوري خود افزود. ثابت كيهاني، دفع هر ذره در فضا توسط ذرات اطرافش، براي پيشگيري از انقباض جهان مي باشد.
بالاخره در سال 1929، ستاره شناس آمريكايي ادوين هابل (Edwin Hubble) كشف كرد كه كهكشانهاي دوردست در حال دور شدن از زمين مي باشند و هر چه فاصله كهكشان از زمين بيشتر است سرعت دور شدن آن نيز بيشتر است. كشف هابل نشان داد كه دنيا در حال انبساط است. در پي اين اكتشاف و تائيد آن توسط مشاهدات ستاره شناسان ديگر، انيشتين ثابت كيهاني را از تئوري خود حذف نمود و آن را بزرگترين اشتباه خود توصيف كرد.
كشف گسترش كائنات به همراه مشاهدات ديگر، منجر به شكل گيري تئوري منشا كائنات يعني تئوري بيگ بنگ يا مهبانگ شد. بر اساس اين تئوري، جهان در پس يك انفجار مهيب آغاز شده است. در آغاز، كل جهاني كه ما امروز در اين ابعاد و اندازه مي بينيم، به كوچكي يك تيله بوده است. سپس مواد شروع به گسترش كرده و اين گستردگي تا به امروز ادامه يافته است.

 انرژي تاريك:
گرچه انيشتين ثابت كيهاني را بزرگترين اشتباه خود خواند اما شايد اين عامل يكي از بزرگترين دستاوردهاي مطالعات او باشد. اندازه گيريهايي كه در سال 1998 گزارش شدند نشان مي دهند كه جهان با سرعت بيشتر و بيشتري رو به گسترش است. به علاوه، سرعت گسترش همانطور كه در نسبيت عام با ثابت كيهاني محاسبه شده بود، افزايش يافته است.
تا قبل از انتشار گزارشات، ستاره شناسان همگي فكر مي كردند كه از سرعت گسترش به دليل وجود گرانش بين كهكشانها، كاسته شده است. اندازه گيريها نشان دادند كه انفجارهاي ابر نواختر در كهكشانهاي دور دست، كم نور تر از آن هستند كه انتظار مي رود بنابراين كهكشانها دورتر از آن هستند كه ما تصور مي كنيم. اما اين كهكشانها فقط در صورتي مي توانند چنين فاصله دوري از ما داشته باشند كه افزايش سرعت گسترش از گذشته آغاز شده باشد.
ستاره شناسان به اين نتيجه دست يافته اند كه افزايش سرعت گسترش كائنات وابسته به عاملي است كه بر خلاف گرانش عمل مي كند. اين عامل ممكن است ثابت كيهاني و يا چيزي به نام انرژي تاريك باشد. دانشمندان هنوز به يك تئوري براي وجود انرژي تاريك نرسيده اند اما آنها مي دانند كه چقدر از آن احتمالا در دنيا وجود دارد. مقدار انرژي تاريك كائنات حدودا دو برابر مقدار ماده در آن است.
ماده در جهان شامل دو نوع است: ماده مرئي و ماده اسرار آميزي به نام ماده تاريك. دانشمندان از تركيب بندي ماده تاريك بي اطلاعند. اما اندازه گيريهاي حركت ستارگان و ابرهاي گاز در كهكشانها دانشمندان را وادار به باور نمودن وجود چنين ماده اي كرده است. اين اندازه گيريها نشان داده اند كه جرم كهكشانها چندين بار بيشتر از جرم اجرام مرئي در آنها است. همه اين مشاهدات بيانگر اين هستند كه مقدار ماده تاريك در كائنات 30 برابر ماده مرئي در آن است.
 

 گرانش و سن جهان:
مشاهدات ديگري كه انجام گرفته اند نشان دادند كه تئوري نسبيت عام در همه جاي كائنات كاربرد دارد. كيهان شناسان عمر جهان را به كمك معادلات نسبيت عام، ميزان سرعت گسترش جهان و مقدار تخميني ماده و انرژي تاريك محاسبه كردند. مقدار محاسبه شده، حدودا 14 بيليون سال، با نتايج به دست آمده توسط دو روش ديگر محاسبه عمر جهان يعني محاسبه بر اساس تكامل ستارگان و محاسبه بر اساس نيمه عمر راديواكتيو ستارگان پير، همخواني داشت.
 

 تكامل ستارگان:
همراه با رشد و تكامل ستاره، دماي سطحي و نورانيت آن به روش كاملا شناخته شده اي تغيير مي كند. ستاره شناسان مي توانند با اندازه گيري دماي سطحي و نورانيت يك ستاره، سن آن را تشخيص دهند. با بهره گيري از اين روش، پير ترين ستاره اي كه تا كنون ستاره شناسان پيدا كرده اند حدود 13 بيليون سال عمر دارد.
نيمه عمر راديو اكتيو بر اساس اين واقعيت است كه عناصر شيميايي مشخص، دچار تجزيه راديواكتيو مي شوند. در تجزيه راديواكتيو، يك ايزوتوپ از يك عنصر به ايزوتوپ عنصري ديگر تبديل مي شود. ايزوتوپ هاي راديواكتيو با سرعت مشخص و شناخته شده اي تجزيه مي شوند.
در سال 2001، دانشمنداني كه در شيلي، با تلسكوپ بزرگ رصدخانه اروپاي جنوبي كار مي كردند، با تكنيك نيمه عمر راديواكتيو، ستاره اي پير در كهكشان راه شيري را مورد مطالعه قرار دادند. محققان اورانيوم 238 كه شامل 92 پروتون و 146 نوترون است را بررسي كردند. دانشمندان مي دانستند كه آن ستاره در زمان شكل گيري شامل چه مقدار اورانيوم بوده است. آنها مقدار اورانيوم فعلي آن را اندازه گيري كردند. آنان با استفاده از اطلاعات به دست آمده و محاسبات، عمر اين ستاره را به دست آوردند. به احتمال خيلي زياد آن ستاره 5/12 بيليون سال عمر دارد، بنابراين عمر جهان احتمالا از آن بيشتر است. محاسبه عمر چندين ستاره پير ديگر نيز تقريبا به همين نتيجه ختم شد.