Повечето хора, научно ориентирани или по друг начин, имат поне смътна представа, че някакво количество или концепция, наречена „гравитация“, е това, което държи обектите, включително тях самите, свързани към Земята. Те разбират, че това е благословия като цяло, но по-малко в определени ситуации - да речем, когато е кацнал на клон на дърво и малко не сте сигурни как да се върнете на земята невредими или когато се опитвате да поставите нов личен рекорд в събитие като скок във височина или полюс свод.
Може би е трудно да се оцени самото понятие за гравитацията, докато не се види какво се случва, когато влиянието му се намали или заличени, като например при гледане на кадри от астронавти на космическа станция, която обикаля планетата далеч от земната повърхност. И в действителност, физиците имат малка представа за това, което в крайна сметка "причинява" гравитацията, така както не могат да кажат на всеки от нас защо първоначално съществува Вселената. Физиците обаче са създали уравнения, които описват това, което гравитацията прави изключително добре, не само на Земята, но и в целия космос.
Кратка история на гравитацията
Преди повече от 2000 години древногръцките мислители излязоха с много идеи, които до голяма степен са издържали изпитанието на времето и са оцелели до съвременността. Те разбраха, че далечни обекти като планети и звезди (истинските разстояния от Земята, от които, разбира се, наблюдателите нямаха начин на знанието) всъщност са били физически обвързани един с друг, въпреки че вероятно не са имали нищо като кабели или въжета, които ги свързват заедно. Липсвайки други теории, гърците предполагат, че движенията на слънцето, луната, звездите и планетите са продиктувани от капризите на боговете. (Всъщност всички планети знаят, че по онова време са били кръстени на богове.) Макар че тази теория беше чиста и решителна, тя не беше подлежащ на проверка и следователно беше не повече от готовност за по-задоволителен и научно строг обяснение.
Едва преди около 300 до 400 години астрономи като Тихо Брахе и Галилео Галилей признаха това, противно на библейските учения, тогава на близо 15 века, Земята и планетите се въртяха около Слънцето, вместо Земята да е в центъра на Вселена. Това проправи пътя за изследванията на гравитацията, както се разбира в момента.
Теории за гравитацията
Един от начините да се мисли за гравитационното привличане между обектите, изразен от покойния теоретичен физик Яков Бекенщайн в есе за CalTech е като „сили с голям обхват, които електрически неутралните тела упражняват едно върху друго поради съдържанието на материя“. Това е, докато обектите могат да изпитват сила в резултат на разлики в електростатичния заряд, а гравитацията вместо това води до сила, дължаща се на отвес маса. Технически вие и компютърът, телефонът или таблетът, върху които четете това, упражнявате гравитационни сили един друг, но вие и вашето устройство с интернет сте толкова малки, че тази сила е на практика неоткриваем. Очевидно е, че за обектите от мащаба на планети, звезди, цели галактики и дори клъстери галактики е различна история.
Исак Нютон (1642-1727), за който се смята, че е един от най-блестящите математически умове в историята и един от съавторите на областта на смятането, предложи че силата на гравитацията между два обекта е право пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Това приема формата на уравнението:
F_ {гравировка} = \ frac {Gm_1m_2} {r ^ 2}
където Fгравитация е гравитационната сила в нютони, m1 и m2 са масите на обектите в килограми, r е разстоянието, разделящо обектите в метри, а стойността на константата на пропорционалност G е 6,67 × 10-11 (N ⋅ m2)/килограма2.
Докато това уравнение работи отлично за ежедневни цели, стойността му намалява, когато обектите в него Въпросът е релативистичен, т.е. описва се от маси и скорости далеч извън типичния човек опит. Тук се появява теорията за гравитацията на Айнщайн.
Общата теория на относителността на Айнщайн
През 1905 г. Алберт Айнщайн, чието име е може би най-разпознаваемото в историята на науката и най-синоним на подвизи на ниво гений, публикува своята специална теория на относителността. Наред с други ефекти, които това имаше върху съществуващото физическо знание, то постави под съмнение предположението, вградено в Нютоновото концепция за гравитацията, която е, че гравитацията действително действа мигновено между обектите, независимо от тяхната необятност разделяне. След изчисленията на Айнщайн установиха, че скоростта на светлината е 3 × 108 m / s или около 186 000 мили в секунда, поставяйки горна граница за това колко бързо нещо може да се разпространи в космоса, идеите на Нютон изведнъж изглеждаха уязвими, поне в някои случаи. С други думи, докато Нютоновата гравитационна теория продължаваше да се представя възхитително в почти всички възможни контексти, това очевидно не беше универсално вярно описание на гравитацията.
Айнщайн прекара следващите 10 години в формулиране на друга теория, която би примирила основната гравитация на Нютон рамка с горната граница на скоростта на светлината, наложена или изглежда, че налага всички процеси във Вселената. Резултатът, който Айнщайн въвежда през 1915 г., е общата теория на относителността. Триумфът на тази теория, която формира основата на всички гравитационни теории до наши дни, е в това тя формулира концепцията за гравитацията като проява на кривината на пространство-времето, а не като сила на се. Тази идея не беше съвсем нова; математикът Георг Бернхард Риман е създал свързани идеи през 1854г. По този начин Айнщайн трансформира гравитационната теория от нещо, вкоренено чисто във физически сили, в повече теория, базирана на геометрията: Тя предлага де факто четвърто измерение, времето, което да придружава трите пространствени измерения, които са били вече познати.
Гравитацията на Земята и отвъд
Едно от последиците от общата теория на относителността на Айнщайн е, че гравитацията работи независимо от масата или физическия състав на обектите. Това означава, че наред с други неща, гюле и мрамор, изпуснати от върха на небостъргач, ще паднат към земята при същата скорост, ускорена до същата степен от силата на гравитацията, въпреки че едната е много по-масивна от другата. (Важно е да се отбележи за пълнота, че това е технически вярно само във вакуум, където въздушното съпротивление не е проблем. Перото очевидно пада по-бавно от изстрела, но във вакуум това не би било така.) Този аспект на идеята на Айнщайн беше достатъчно проверяем. Но какво да кажем за релативистки ситуации?
През юли 2018 г. международен екип от астрономи приключи проучване на система с три звезди на 4200 светлинни години от Земята. Светлинната година е разстоянието, което светлината изминава за една година (около шест трилиона мили), това означава, че астрономите тук на Земята са били наблюдение на явяващи светлина явления, които действително са се случили през около 2200 г. пр.н.е. Тази необичайна система се състои от две малки, плътни звезди - една a "пулсар", въртящ се по оста си 366 пъти в секунда, а другият бяло джудже - обикалящо около себе си със забележително кратък период от 1,6 дни. Тази двойка на свой ред обикаля по-далечна звезда от бяло джудже на всеки 327 дни. Накратко, единственото описание на гравитацията, което би могло да обясни взаимните френетични движения на трите звезди в това изключително необичайна система беше общата теория на относителността на Айнщайн - и уравненията всъщност отговаряха на ситуацията перфектно.