Τι προκαλεί τη βαρύτητα στη Γη;

Οι περισσότεροι άνθρωποι, επιστημονικά προσανατολισμένοι ή αλλιώς, έχουν τουλάχιστον μια αόριστη ιδέα ότι κάποια ποσότητα ή έννοια που ονομάζεται «βαρύτητα» είναι αυτό που κρατά τα αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένων των ίδιων, να συνδέονται στη Γη. Καταλαβαίνουν ότι αυτό είναι μια ευλογία γενικά, αλλά λιγότερο σε ορισμένες περιπτώσεις - ας πούμε, όταν σκαρφαλώνουν σε ένα κλαδί δέντρου και λίγο δεν είστε σίγουροι για το πώς να επιστρέψετε στο έδαφος χωρίς τραυματισμό ή όταν προσπαθείτε να δημιουργήσετε ένα νέο προσωπικό ρεκόρ σε ένα γεγονός όπως το άλμα ή το πόλο θόλος.

Είναι ίσως δύσκολο να εκτιμηθεί η έννοια της βαρύτητας, μέχρι να δει τι συμβαίνει όταν η επιρροή της μειωθεί ή εξαλειφθεί, όπως όταν παρακολουθείτε πλάνα αστροναυτών σε διαστημικό σταθμό σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη μακριά από τη Γη επιφάνεια. Και στην πραγματικότητα, οι φυσικοί έχουν λίγη ιδέα για το τι τελικά «προκαλεί» τη βαρύτητα, περισσότερο από ό, τι μπορούν να πουν σε κανέναν από μας γιατί το σύμπαν υπάρχει στην πρώτη θέση. Οι φυσικοί, ωστόσο, έχουν παράγει εξισώσεις που περιγράφουν τι κάνει η βαρύτητα πολύ καλά, όχι μόνο στη Γη αλλά σε ολόκληρο τον Κόσμο.

Πάνω από 2.000 χρόνια πριν, οι αρχαίοι Έλληνες στοχαστές βρήκαν πολλές ιδέες που αντέχουν σε μεγάλο βαθμό στη δοκιμασία του χρόνου και επέζησαν στη νεωτερικότητα. Διακρίνουν ότι μακρινά αντικείμενα όπως πλανήτες και αστέρια (οι πραγματικές αποστάσεις από τη Γη, των οποίων, φυσικά, οι παρατηρητές δεν είχαν τρόπο της γνώσης), στην πραγματικότητα, συνδέθηκαν φυσικά μεταξύ τους παρά το ότι πιθανώς δεν είχαν τίποτα σαν καλώδια ή σχοινιά που τα συνδέουν μαζί. Χωρίς άλλες θεωρίες, οι Έλληνες πρότειναν ότι οι κινήσεις του ήλιου, του φεγγαριού, των αστεριών και των πλανητών υπαγορεύονταν από τις ιδιοτροπίες των θεών. (Στην πραγματικότητα, όλοι οι πλανήτες γνωρίζουν εκείνες τις ημέρες πήραν το όνομά τους από θεούς.) Ενώ αυτή η θεωρία ήταν τακτοποιημένη και αποφασιστική, δεν μπορούσε να ελεγχθεί, και ως εκ τούτου δεν ήταν παρά μια στάση για μια πιο ικανοποιητική και επιστημονικά αυστηρή εξήγηση.

Μόνο πριν από περίπου 300 έως 400 χρόνια οι αστρονόμοι όπως ο Tycho Brahe και ο Galileo Galilei το αναγνώρισαν, σε αντίθεση με τη βιβλική διδασκαλίες στη συνέχεια κοντά σε 15 αιώνες, η Γη και οι πλανήτες περιστρέφονταν γύρω από τον ήλιο, αντί της Γης να βρίσκεται στο κέντρο του σύμπαν. Αυτό άνοιξε το δρόμο για εξερευνήσεις της βαρύτητας, όπως είναι σήμερα κατανοητό.

Ένας τρόπος να σκεφτούμε τη βαρυτική έλξη μεταξύ αντικειμένων, που εκφράστηκε από τον αείμνηστο θεωρητικό φυσικό Jacob Bekenstein σε ένα Εκθεση ΙΔΕΩΝ για το CalTech, είναι "δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας που ασκούν ηλεκτρικά ουδέτερα σώματα το ένα το άλλο λόγω του περιεχομένου τους." Αυτό είναι, ενώ τα αντικείμενα μπορεί να βιώσουν μια δύναμη ως αποτέλεσμα των διαφορών στο ηλεκτροστατικό φορτίο, η βαρύτητα αντί να έχει ως αποτέλεσμα μια δύναμη λόγω της απόλυτης μάζα. Τεχνικά, εσείς και ο υπολογιστής, το τηλέφωνο ή το tablet που διαβάζετε αυτό, ασκείτε βαρυτικές δυνάμεις ο ένας τον άλλον, αλλά εσείς και η συσκευή σας με δυνατότητα Διαδικτύου είστε τόσο μικρές που αυτή η δύναμη είναι ουσιαστικά μη ανιχνεύσιμος Προφανώς, για αντικείμενα σε κλίμακα πλανητών, αστεριών, ολόκληρων γαλαξιών και ακόμη και σμήνων γαλαξιών, είναι μια διαφορετική ιστορία.

Ο Isaac Newton (1642-1727), πιστώθηκε ως ένα από τα πιο λαμπρά μαθηματικά μυαλά στην ιστορία και ένας από τους συν-εφευρέτες του πεδίου του λογισμού, που προτάθηκε ότι η δύναμη της βαρύτητας μεταξύ δύο αντικειμένων είναι άμεσα ανάλογη με το προϊόν των μαζών τους και αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους. Αυτό παίρνει τη μορφή της εξίσωσης:

όπου F_Γκραβ είναι η βαρυτική δύναμη σε Newton, m₁ και μ₂ είναι οι μάζες των αντικειμένων σε χιλιόγραμμα, r είναι η απόσταση που διαχωρίζει τα αντικείμενα σε μέτρα και η τιμή της σταθεράς αναλογικότητας G είναι 6,67 × 10^-11 (Ν ⋅ μ²)/κιλό².

Ενώ αυτή η εξίσωση λειτουργεί εξαιρετικά για καθημερινούς σκοπούς, η αξία της μειώνεται όταν τα αντικείμενα μέσα Η ερώτηση είναι σχετικιστική, δηλαδή περιγράφεται από μάζες και ταχύτητες πολύ έξω από τον τυπικό άνθρωπο εμπειρία. Εδώ μπαίνει η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν.

Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, του οποίου το όνομα είναι ίσως το πιο αναγνωρίσιμο στην ιστορία της επιστήμης και το πιο συνώνυμο με τα επιτεύγματα σε επίπεδο μεγαλοφυίας, δημοσίευσε την ειδική του θεωρία σχετικότητας. Μεταξύ άλλων επιπτώσεων που είχε στο υπάρχον σώμα της γνώσης της φυσικής, αμφισβήτησε την υπόθεση που ενσωματώθηκε στο Νεύτωνα έννοια της βαρύτητας, που είναι ότι η βαρύτητα στην πράξη λειτουργούσε στιγμιαία μεταξύ αντικειμένων ανεξάρτητα από το μέγεθος τους διαχωρισμός. Μετά από τους υπολογισμούς του Αϊνστάιν διαπιστώθηκε ότι η ταχύτητα του φωτός, 3 × 10⁸ m / s ή περίπου 186.000 μίλια το δευτερόλεπτο, τοποθετημένο πάνω από το πόσο γρήγορα θα μπορούσε να διαδίδεται οτιδήποτε μέσω του διαστήματος, οι ιδέες του Newton ξαφνικά φαινόταν ευάλωτες, τουλάχιστον σε ορισμένες περιπτώσεις. Με άλλα λόγια, ενώ η βαρυτική θεωρία της Νεύτωνας συνέχισε να αποδίδει αξιοθαύμαστα σε σχεδόν όλα τα φανταστικά περιβάλλοντα, σαφώς δεν ήταν μια καθολικά αληθινή περιγραφή της βαρύτητας.

Ο Αϊνστάιν πέρασε τα επόμενα 10 χρόνια διατυπώνοντας μια άλλη θεωρία, που θα συμφιλιωνόταν με τη βασική βαρύτητα του Νεύτωνα πλαίσιο με το άνω όριο η ταχύτητα του φωτός που επιβάλλεται, ή φαίνεται να επιβάλλει, σε όλες τις διαδικασίες στο σύμπαν. Το αποτέλεσμα, το οποίο εισήγαγε ο Αϊνστάιν το 1915, ήταν η γενική θεωρία της σχετικότητας. Ο θρίαμβος αυτής της θεωρίας, που αποτελεί τη βάση όλων των βαρυτικών θεωριών έως σήμερα, είναι αυτός πλαισίωσε την έννοια της βαρύτητας ως εκδήλωση της καμπυλότητας του χωροχρόνου και όχι ως δύναμη ανά βλ. Αυτή η ιδέα δεν ήταν εντελώς νέα. ο μαθηματικός Georg Bernhard Riemann είχε δημιουργήσει σχετικές ιδέες το 1854. Αλλά ο Αϊνστάιν είχε μετατρέψει έτσι τη θεωρία της βαρύτητας από κάτι που έχει τις ρίζες του καθαρά στις φυσικές δυνάμεις σε περισσότερο θεωρία με βάση τη γεωμετρία: Πρότεινε μια de facto τέταρτη διάσταση, χρόνο, για να συνοδεύσει τις τρεις χωρικές διαστάσεις που ήταν ήδη γνωστό.

Μία από τις συνέπειες της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν είναι ότι η βαρύτητα λειτουργούσε ανεξάρτητα από τη μάζα ή τη φυσική σύνθεση των αντικειμένων. Αυτό σημαίνει ότι, μεταξύ άλλων, ένα πυροβόλο και ένα μάρμαρο που πέφτουν από την κορυφή ενός ουρανοξύστη θα πέσουν προς το έδαφος στο την ίδια ταχύτητα, επιταχύνθηκε στον ίδιο ακριβώς βαθμό με τη δύναμη της βαρύτητας, παρά το ότι το ένα ήταν πολύ πιο ογκώδες από το άλλο. (Είναι σημαντικό να σημειωθεί για λόγους πληρότητας ότι αυτό ισχύει τεχνικά μόνο σε κενό, όπου η αντίσταση του αέρα δεν αποτελεί ζήτημα. Ένα φτερό σαφώς πέφτει πιο αργά από ό, τι κάνει μια βολή, αλλά σε κενό, αυτό δεν θα συνέβαινε.) Αυτή η πτυχή της ιδέας του Αϊνστάιν ήταν αρκετά δοκιμή. Τι γίνεται όμως με σχετικιστικές καταστάσεις;

Τον Ιούλιο του 2018, μια διεθνής ομάδα αστρονόμων ολοκλήρωσε μια μελέτη ενός συστήματος τριπλού αστεριού 4.200 ετών φωτός από τη Γη. Ένα έτος φωτός που είναι η απόσταση που διανύει το φως σε ένα έτος (περίπου έξι τρισεκατομμύρια μίλια), αυτό σημαίνει ότι οι αστρονόμοι εδώ στη Γη ήταν παρατηρώντας φαινόμενα που αποκαλύπτουν το φως που συνέβησαν πραγματικά περίπου στο 2.200 π.Χ. Αυτό το ασυνήθιστο σύστημα αποτελείται από δύο μικροσκοπικά, πυκνά αστέρια - ένα α Το "pulsar" περιστρέφεται στον άξονά του 366 φορές το δευτερόλεπτο και ο άλλος ένας λευκός νάνος - σε τροχιά μεταξύ τους με μια εξαιρετικά σύντομη περίοδο 1,6 μέρες. Αυτό το ζευγάρι με τη σειρά του περιστρέφεται σε ένα πιο μακρινό λευκό νάνο αστέρι κάθε 327 ημέρες. Εν ολίγοις, η μόνη περιγραφή της βαρύτητας που θα μπορούσε να εξηγήσει τις αμοιβαίες ξέφρενες κινήσεις των τριών αστεριών σε αυτό εξαιρετικά ασυνήθιστο σύστημα ήταν η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν - και οι εξισώσεις, στην πραγματικότητα, ταιριάζουν στην κατάσταση τέλεια.