Što uzrokuje gravitaciju na Zemlji?

Većina ljudi, znanstveno orijentiranih ili na neki drugi način, imaju barem nejasnu ideju da je neka veličina ili koncept nazvan "gravitacija" ono što drži predmete, uključujući njih same, privezane za Zemlju. Oni razumiju da je to općenito blagoslov, ali manje u određenim situacijama - recimo, kad se smjestite na granu drveta i malo niste sigurni kako se neozlijeđeni vratiti na tlo ili kada pokušavate postaviti novi osobni rekord u događaju poput skoka u vis ili motke svod.

Možda je teško uvažiti sam pojam gravitacije dok se ne vidi što se događa kad se njegov utjecaj smanji ili izbrisani, poput gledanja snimaka astronauta na svemirskoj stanici koja kruži oko planeta daleko od Zemljine površinski. U stvari, fizičari nemaju pojma o tome što u konačnici "uzrokuje" gravitaciju, više nego što mogu reći bilo kome od nas zašto uopće postoji svemir. Fizičari su, međutim, izradili jednadžbe koje opisuju ono što gravitacija čini izuzetno dobro, ne samo na Zemlji već u čitavom kozmosu.

Prije više od 2000 godina drevni grčki mislioci iznijeli su mnoštvo ideja koje su u velikoj mjeri izdržale test vremena i preživjele do moderne. Uvidjeli su da su udaljeni objekti poput planeta i zvijezda (prave udaljenosti od Zemlje od kojih promatrači, naravno, nikako nisu mogli znati) bili su zapravo fizički vezani jedni za druge, unatoč tome što vjerojatno nisu imali ništa poput kabela ili užadi koji ih spajaju zajedno. Odsutni od drugih teorija, Grci su predložili da su kretanje sunca, mjeseca, zvijezda i planeta diktirali hirovi bogova. (U stvari, svi planeti koji su u to doba znali da su dobili imena po bogovima.) Iako je ova teorija bila uredna i odlučna, ona je nije bilo moguće testirati i stoga nije bio ništa više od napora za zadovoljavajuće i znanstveno rigoroznije obrazloženje.

Tek prije otprilike 300 do 400 godina astronomi kao što su Tycho Brahe i Galileo Galilei to su prepoznali, suprotno biblijskim učenja stara oko 15 stoljeća, Zemlja i planeti okretali su se oko Sunca, umjesto da je Zemlja u središtu svemir. To je otvorilo put istraživanjima gravitacije kako se trenutno razumije.

Jedan od načina razmišljanja o gravitacijskoj privlačnosti između objekata, koji je izrazio pokojni teorijski fizičar Jacob Bekenstein u esej za CalTech je kao "sile velikog dometa koje električno neutralna tijela djeluju jedno na drugo zbog svog sadržaja materije." To je, dok objekti mogu iskusiti silu kao rezultat razlika u elektrostatičkom naboju, gravitacija umjesto toga rezultira silom zbog siline masa. Tehnički, vi i računalo, telefon ili tablet na kojima ovo čitate vršite gravitacijske sile međusobno, ali vi i vaš uređaj s Internetom toliko ste mali da je ta sila gotovo neotkriven. Očito je da je za objekte na ljestvici planeta, zvijezda, cijelih galaksija, pa čak i nakupina galaksija, druga priča.

Isaac Newton (1642-1727), zaslužan za jednog od najsjajnijih matematičkih umova u povijesti i jedan od suizumitelja područja računa, predložio je da je sila gravitacije između dvaju predmeta izravno proporcionalna umnošku njihovih masa i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između ih. To ima oblik jednadžbe:

gdje je F_grav je gravitacijska sila u njutnima, m₁ i m₂ su mase predmeta u kilogramima, r je udaljenost koja razdvaja predmete u metrima, a vrijednost konstante proporcionalnosti G je 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Iako ova jednadžba izvrsno djeluje u svakodnevne svrhe, vrijednost joj se smanjuje kad objekti uđu Pitanja su relativistička, odnosno opisana su masama i brzinama izvan tipičnog čovjeka iskustvo. Tu dolazi do Einsteinove teorije gravitacije.

1905. godine Albert Einstein, čije je ime možda najprepoznatljivije u povijesti znanosti i najsinonimnije za podvige na razini genija, objavio je svoju posebnu teoriju relativnosti. Između ostalih učinaka koje je to imalo na postojeće tijelo fizičkog znanja, dovelo je u pitanje pretpostavku ugrađenu u Newtonovu koncept gravitacije, što znači da gravitacija djeluje trenutno među objektima bez obzira na njihovu širinu razdvajanje. Nakon što su Einsteinovi izračuni utvrdili da je brzina svjetlosti 3 × 10⁸ m / s ili oko 186.000 milja u sekundi, postavili su gornju granicu koliko se brzo sve može proširiti svemirom, Newtonove ideje iznenada su izgledale ranjivo, barem u određenim slučajevima. Drugim riječima, dok je Newtonova gravitacijska teorija i dalje imala izvanredne učinke u gotovo svim zamislivim kontekstima, to očito nije bio univerzalno istinit opis gravitacije.

Einstein je proveo sljedećih 10 godina formulirajući drugu teoriju, onu koja bi pomirila Newtonovu osnovnu gravitaciju okvir s gornjom granicom brzine svjetlosti koja je nametnuta ili se čini da nameće sve procese u svemiru. Rezultat, koji je Einstein uveo 1915. godine, bila je opća teorija relativnosti. Trijumf ove teorije, koja čini osnovu svih gravitacijskih teorija do danas, je taj oblikovao je koncept gravitacije kao manifestaciju zakrivljenosti prostora-vremena, a ne kao silu po se. Ova ideja nije bila posve nova; matematičar Georg Bernhard Riemann iznio je srodne ideje 1854. Ali Einstein je tako transformirao gravitacijsku teoriju iz nečega ukorijenjenog čisto u fizičkim silama u više teorija zasnovana na geometriji: Predložila je de facto četvrtu dimenziju, vrijeme, koja će pratiti tri prostorne dimenzije koje su bile već poznato.

Jedna od implikacija Einsteinove opće teorije relativnosti jest da je gravitacija djelovala neovisno o masi ili fizičkom sastavu predmeta. To znači da će, između ostalog, topovska kugla i mramor ispušteni s vrha nebodera pasti prema tlu na jednaka brzina, ubrzana u istoj mjeri silom gravitacije, unatoč tome što je jedna daleko masivnija od druge. (Važno je napomenuti da je to tehnički točno samo u vakuumu, gdje otpor zraka nije problem. Očito pero pada sporije od bacanja kugle, ali u vakuumu to ne bi bio slučaj.) Ovaj aspekt Einsteinove ideje bio je dovoljno provjerljiv. Ali što je s relativističkim situacijama?

U srpnju 2018. međunarodni tim astronoma zaključio je istraživanje sustava trostrukih zvijezda udaljenog 4.200 svjetlosnih godina od Zemlje. Svjetlosna godina je udaljenost koju svjetlost prijeđe u jednoj godini (oko šest bilijuna milja), to znači da su astronomi ovdje na Zemlji bili promatrajući pojave otkrivanja svjetlosti koje su se zapravo dogodile oko 2200 godina p.n.e. Ovaj neobični sustav sastoji se od dvije malene, guste zvijezde - jedne a "pulsar" koji se okreće oko svoje osi 366 puta u sekundi, a drugi bijeli patuljak - koji kruži jedan oko drugog s izuzetno kratkim periodom od 1,6 dana. Ovaj par zauzvrat kruži oko udaljenije zvijezde bijelog patuljka svaka 327 dana. Ukratko, jedini opis gravitacije koji bi mogao objasniti uzajamno frenetično kretanje triju zvijezda u ovome krajnje neobičan sustav bila je Einsteinova opća teorija relativnosti - i jednadžbe su, zapravo, odgovarale situaciji savršeno.