Co způsobuje gravitaci na Zemi?

Většina lidí, vědecky nebo jinak, má alespoň nejasnou představu, že nějaká veličina nebo koncept zvaný „gravitace“ je to, co udržuje objekty, včetně sebe, uvázané na Zemi. Chápou, že se jedná o požehnání obecně, ale méně za určitých situací - řekněme, když sedíte na větvi stromu a trochu nejste si jisti, jak se dostat zpět na zem bez úhony, nebo když se pokoušíte vytvořit nový osobní rekord v případě, jako je skok do výšky nebo tyč klenba.

Možná je těžké ocenit samotnou představu gravitace, dokud nevidíme, co se stane, když se její vliv sníží nebo vyhlazeno, například při sledování záběrů astronautů na vesmírné stanici obíhající kolem planety daleko od Země povrch. A po pravdě řečeno, fyzici mají jen malou představu o tom, co nakonec „způsobuje“ gravitaci, o nic víc, než dokážou komukoli z nás říct, proč vesmír vůbec existuje. Fyzici však vytvořili rovnice, které popisují, co gravitace dělá výjimečně dobře, nejen na Zemi, ale v celém vesmíru.

Před více než 2000 lety přišli starořečtí myslitelé s řadou nápadů, které do značné míry odolaly zkoušce času a přežily až do moderny. Rozpoznali, že vzdálené objekty, jako jsou planety a hvězdy (skutečné vzdálenosti od Země, které samozřejmě pozorovatelé neměli vědění) byli ve skutečnosti navzájem fyzicky vázáni, přestože pravděpodobně neměli nic jako kabely nebo lana spojující je spolu. Pokud neexistují jiné teorie, Řekové navrhli, aby pohyby Slunce, Měsíce, hvězd a planet byly diktovány rozmary bohů. (Ve skutečnosti všechny planety v té době věděly, že byly pojmenovány po bocích.) I když byla tato teorie čistá a rozhodující, nebyl testovatelný, a proto nebyl ničím jiným než záskokem pro uspokojivější a vědecky přísnější vysvětlení.

Až před asi 300 až 400 lety si astronomové jako Tycho Brahe a Galileo Galilei uvědomili, že na rozdíl od biblických učení staré 15 století, Země a planety se točily kolem Slunce, spíše než Země byla ve středu vesmír. To vydláždilo cestu pro zkoumání gravitace, jak se v současné době chápe.

Jeden způsob, jak uvažovat o gravitační přitažlivosti mezi objekty, kterou vyjádřil zesnulý teoretický fyzik Jacob Bekenstein v esej pro CalTech je jako „síly dlouhého dosahu, které na sebe elektricky neutrální tělesa vyvíjejí kvůli obsahu hmoty.“ To je, zatímco objekty mohou zažít sílu v důsledku rozdílů v elektrostatickém náboji, gravitace místo toho vede k síle v důsledku pouhého Hmotnost. Technicky vy a počítač, telefon nebo tablet, který čtete, vyvíjíte gravitační síly navzájem, ale vy a vaše zařízení podporující internet jste tak malí, že tato síla je prakticky nezjistitelné. Je zřejmé, že pro objekty na stupnici planet, hvězd, celých galaxií a dokonce i shluků galaxií je to jiný příběh.

Isaac Newton (1642-1727), kterému se připisuje jedna z nejskvělejších matematických myslí v historii a jeden ze spoluautorů oboru počtu, navrhl že gravitační síla mezi dvěma objekty je přímo úměrná součinu jejich hmot a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi jim. To má podobu rovnice:

kde F_grav je gravitační síla v newtonech, m₁ a m₂ jsou hmotnosti objektů v kilogramech, r je vzdálenost oddělující objekty v metrech a hodnota konstanty proporcionality G je 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²)/kg².

I když tato rovnice funguje skvěle pro každodenní účely, její hodnota se snižuje, když jsou objekty uvnitř otázky jsou relativistické, tj. popsané hmotami a rychlostmi dobře mimo typického člověka Zkušenosti. To je místo, kde přichází Einsteinova gravitační teorie.

V roce 1905 publikoval Albert Einstein, jehož jméno je možná nejznámější v historii vědy a nejvíce synonymem výkonů na geniální úrovni, svou speciální teorii relativity. Kromě dalších účinků, které to mělo na stávající fyzikální znalosti, zpochybnilo předpoklad zabudovaný do Newtonova koncept gravitace, což znamená, že gravitace ve skutečnosti fungovala okamžitě mezi objekty bez ohledu na jejich rozsáhlost oddělení. Poté, co Einsteinovy ​​výpočty prokázaly, že rychlost světla, 3 × 10⁸ m / s nebo asi 186 000 mil za sekundu, položil horní hranici toho, jak rychle se může cokoli šířit vesmírem, Newtonovy myšlenky najednou vypadaly zranitelně, přinejmenším v určitých případech. Jinými slovy, zatímco newtonovská gravitační teorie pokračovala v obdivuhodném výkonu téměř ve všech představitelných kontextech, zjevně to nebyl univerzálně pravdivý popis gravitace.

Einstein strávil příštích 10 let formulací další teorie, která by sladila Newtonovu základní gravitaci rámec s horní hranicí rychlosti světla vnucoval, nebo se zdálo, vnucovat, všem procesům ve vesmíru. Výsledkem, který Einstein představil v roce 1915, byla obecná teorie relativity. Triumf této teorie, která tvoří základ všech gravitačních teorií až do současnosti, je ten formuloval koncept gravitace jako projev zakřivení časoprostoru, nikoli jako sílu na se. Tato myšlenka nebyla úplně nová; matematik Georg Bernhard Riemann vytvořil související myšlenky v roce 1854. Ale Einstein tak transformoval gravitační teorii z něčeho zakořeněného čistě ve fyzických silách na více teorie založená na geometrii: Navrhla de facto čtvrtou dimenzi, čas, doprovázející tři prostorové dimenze, které byly už povědomý.

Jedním z důsledků Einsteinovy ​​obecné teorie relativity je, že gravitace fungovala nezávisle na hmotnosti nebo fyzickém složení objektů. To znamená, že mimo jiné padá dělová koule a mramor spadnutý z vrcholu mrakodrapu k zemi na stejnou rychlostí, zrychlenou přesně ve stejné míře gravitační silou, přestože jedna je mnohem masivnější než druhá. (Pro úplnost je důležité poznamenat, že to technicky platí pouze ve vakuu, kde není problém s odporem vzduchu. Pírko zjevně padá pomaleji než vrh koulí, ale ve vakuu by tomu tak nebylo.) Tento aspekt Einsteinova nápadu byl dostatečně testovatelný. Ale co relativistické situace?

V červenci 2018 uzavřel mezinárodní tým astronomů studii systému trojhvězd 4200 světelných let od Země. Světelný rok je vzdálenost, kterou světlo urazí za jeden rok (asi šest bilionů mil), což znamená, že astronomové zde na Zemi byli pozorování jevů odhalujících světlo, ke kterým ve skutečnosti došlo asi v roce 2 200 př. n.l. Tento neobvyklý systém se skládá ze dvou malých, hustých hvězd - jedné a „pulzar“ rotující na své ose 366krát za sekundu a druhý bílý trpaslík - obíhající kolem sebe s pozoruhodně krátkou dobou 1,6 dnů. Tato dvojice zase každých 327 dní obíhá vzdálenější hvězdu bílého trpaslíka. Stručně řečeno, jediný popis gravitace, který by mohl odpovídat za vzájemné frenetické pohyby tří hvězd v tomto velmi neobvyklým systémem byla Einsteinova obecná teorie relativity - a rovnice ve skutečnosti odpovídaly situaci dokonale.