Mis põhjustab raskust Maal?

Enamikul inimestel, teaduslikult orienteeritud või muul viisil, on vähemalt ähmane ettekujutus, et mingi kogus või mõiste, mida nimetatakse "gravitatsiooniks", on see, mis hoiab objekte, sealhulgas ka neid, Maaga seotud. Nad saavad aru, et see on üldiselt õnnistus, kuid teatud olukordades vähem - ütleme siis, kui puuoksa küljes ja natuke pole kindel, kuidas vigastusteta maale tagasi jõuda, või üritades püstitada uut isiklikku rekordit kõrgushüppe või kepi võlv.

Tõenäoliselt on raske mõista raskusjõu mõistet, kuni näeme, mis juhtub, kui selle mõju on väiksem või hävitatud, näiteks vaadates astronautide kaadreid kosmosejaamas, mis tiirleb planeedil Maa kaugusest pind. Ja tegelikult on füüsikutel vähe aimugi sellest, mis gravitatsiooni lõppkokkuvõttes "põhjustab", kui nad saavad meist kellelegi öelda, miks universum üldse olemas on. Füüsikud on aga loonud võrrandid, mis kirjeldavad seda, mida gravitatsioon teeb erakordselt hästi, mitte ainult Maal, vaid kogu kosmoses.

Üle 2000 aasta tagasi pakkusid Vana-Kreeka mõtlejad palju ideid, mis on suuresti ajaproovile vastu pidanud ja tänapäevani ellu jäänud. Nad mõistsid, et kauged objektid nagu planeedid ja tähed (tõelised kaugused Maast ei olnud vaatlejatel loomulikult teadmata) olid tegelikult füüsiliselt üksteisega seotud, hoolimata sellest, et arvatavasti polnud neid ühendavate kaablite või köitega koos. Teiste teooriate puudumisel tegid kreeklased ettepaneku, et päikese, kuu, tähtede ja planeetide liikumist dikteeriksid jumalate kapriisid. (Tegelikult said kõik planeedid teada, et neil päevadel olid nad jumalate nimed.) Kuigi see teooria oli puhas ja otsustav, ei olnud testitav ja seetõttu oli see vaid enama rahulolu ja teaduslikult range seismine selgitus.

Alles umbes 300–400 aastat tagasi tõdesid sellised astronoomid nagu Tycho Brahe ja Galileo Galilei, et vastupidiselt piibellikule õpetused, mis olid siis ligemale 15 sajandit vanad, keerlesid Maa ja planeedid ümber päikese, mitte et Maa oleks universum. See sillutas teed gravitatsiooni uurimisele, nagu seda praegu mõistetakse.

Üks võimalus mõelda objektide vahelisele gravitatsioonilisele külgetõmbele, mille väljendas hiline teoreetiline füüsik Jacob Bekenstein essee CalTechi jaoks on see kui "pika tööjõud, mida elektriliselt neutraalsed kehad oma aine sisu tõttu üksteisele avaldavad". See on, kui objektidel võib elektrostaatilise laengu erinevuste tõttu tekkida jõud, siis gravitatsioon põhjustab selle asemel jõudu, mis tuleneb õhust mass. Tehniliselt avaldate teie ja arvuti, telefoni või tahvelarvuti jaoks, mida te seda loete, gravitatsioonijõude üksteist, kuid teie ja teie Interneti-toega seade on nii väikesed, et seda jõudu on praktiliselt märkamatu. Ilmselt on planeetide, tähtede, tervete galaktikate ja isegi galaktikaparvede skaalal olevate objektide puhul hoopis teine ​​lugu.

Isaac Newton (1642–1727), keda peetakse üheks kõige säravamaks matemaatiliseks mõtteks ajaloos ja arvutusvälja üks kaasleiutajaid, pakkus välja et kahe objekti raskusjõud on otseselt proportsionaalne nende masside korrutisega ja pöördvõrdeline nende vahelise kauguse ruuduga neid. See toimub võrrandi kujul:

kus F_grav on gravitatsioonijõud njuutonites, m₁ ja m₂ on objektide mass kilogrammides, r on objekte eraldav kaugus meetrites ja proportsionaalsuskonstandi G väärtus on 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Kuigi see võrrand töötab suurepäraselt igapäevaseks otstarbeks, väheneb selle väärtus objektide sisenemisel küsimused on relativistlikud ehk neid kirjeldavad massid ja kiirused, mis jäävad väljaspool tüüpilist inimest kogemus. Siit tuleb Einsteini gravitatsiooniteooria.

Aastal 1905 avaldas Albert Einstein, kelle nimi on teaduse ajaloos võib-olla kõige paremini äratuntav ja geeniuse tasemel feats kõige sünonüüm, oma spetsiaalse relatiivsusteooria. Lisaks muudele mõjudele olemasolevatele füüsikateadmistele pani see kahtluse alla Newtoni sisse ehitatud eelduse gravitatsiooni mõiste, see tähendab, et gravitatsioon toimis objektide vahel silmapilkselt, olenemata nende ulatusest eraldamine. Pärast Einsteini arvutusi tehti kindlaks, et valguse kiirus 3 × 10⁸ m / s ehk umbes 186 000 miili sekundis, pannes ülemise piiri sellele, kui kiiresti midagi kosmoses levitada õnnestus, tundusid Newtoni ideed ootamatult vähemalt teatud juhtudel haavatavad. Teisisõnu, kuigi Newtoni gravitatsiooniteooria toimis jätkuvalt imetlusväärselt peaaegu kõigis ettekujutatavates kontekstides, ei olnud see ilmselgelt gravitatsiooni üldtõeline kirjeldus.

Einstein veetis järgmised 10 aastat uue teooria sõnastamise, mis sobitaks Newtoni põhilise gravitatsiooni raamistik ülemise piiriga valguse kiirus, mis kehtestas universumi kõik protsessid või näis seda kehtestavat. Tulemuseks, mille Einstein 1915. aastal tutvustas, oli üldrelatiivsusteooria. Selle teooria, mis on kõigi gravitatsiooniteooriate alus tänapäevani, võidukäik on see see raamistas gravitatsiooni mõiste aegruumi kõveruse ilminguna, mitte kui jõud per se. See idee polnud sugugi uus; matemaatik Georg Bernhard Riemann oli 1854. aastal tootnud sellega seotud ideid. Kuid Einstein oli gravitatsiooniteooria muutnud puhtalt füüsilistes jõududes juurdunud teooriast enamaks geomeetrial põhinev teooria: see pakkus välja kolme ruumilise mõõtme, mis olid, de facto neljanda mõõtme, aja juba tuttav.

Einsteini üldise relatiivsusteooria üks järeldusi on see, et gravitatsioon toimis sõltumatult objektide massist või füüsikalisest koostisest. See tähendab, et muuhulgas langevad pilvelõhkuja tipust maha visatud kahurikuul ja marmor maa poole kell sama kiirusega, mida raskusjõud kiirendab täpselt samal määral, hoolimata sellest, et üks on teisest palju massiivsem. (Täielikkuse huvides on oluline märkida, et see kehtib tehniliselt ainult vaakumis, kus õhutakistus pole probleem. Sulg langeb selgelt aeglasemalt kui kuulitõuge, kuid vaakumis see nii ei oleks.) See Einsteini idee aspekt oli piisavalt kontrollitav. Aga kuidas on lood relativistlike olukordadega?

2018. aasta juulis lõpetas rahvusvaheline astronoomide meeskond uuringu Maast 4200 valgusaasta kaugusel asuva kolmetähesüsteemi kohta. Valgusaasta, kui valgus läbib ühe aasta (umbes kuus triljonit miili), tähendab see, et astronoomid olid siin Maal jälgides valgust paljastavaid nähtusi, mis tegelikult tekkisid umbes 2200 eKr. See ebatavaline süsteem koosneb kahest pisikesest tihedast tähest - ühest a "pulsar" pöörleb oma teljel 366 korda sekundis ja teine ​​valge kääbus - tiirleb üksteise ümber märkimisväärselt lühikese ajavahemikuga 1,6 päeva. See paar tiirleb omakorda iga 327 päeva tagant kaugemast valgest kääbustähest. Lühidalt öeldes on ainus raskusjõu kirjeldus, mis võiks selles arvesse võtta kolme tähe vastastikust meeletut liikumist väga ebatavaline süsteem oli Einsteini üldrelatiivsusteooria - ja võrrandid sobivad olukorraga täiuslikult.