Mi okozza a gravitációt a Földön?

A legtöbb embernek, tudományosan vagy más módon, legalább homályos elképzelése van arról, hogy valamilyen "gravitációnak" nevezett mennyiség vagy fogalom tartja az objektumokat, beleértve önmagukat is, a Földhöz kötve. Megértik, hogy ez általában áldás, de bizonyos esetekben kevésbé - mondjuk, ha egy faágon ül és egy kicsit nem biztos abban, hogyan lehet sértetlenül visszatérni a földre, vagy amikor megpróbál új személyes rekordot állítani olyan eseményen, mint a magasugrás vagy a rúd boltozat.

Talán nehéz értékelni magát a gravitáció fogalmát, amíg meg nem látjuk, mi történik, ha a befolyása csökken vagy elpusztítva, például amikor egy űrhajós felvételét nézzük egy űrállomáson, amely a Föld körüli felület. Valójában a fizikusoknak alig van fogalmuk arról, hogy mi végső soron "okozza" a gravitációt, annál inkább, hogy bármelyikünknek meg tudnák mondani, miért is létezik az univerzum egyáltalán. A fizikusok azonban olyan egyenleteket készítettek, amelyek leírják, hogy a gravitáció milyen kivételesen jól működik, nemcsak a Földön, hanem az egész kozmoszban.

Több mint 2000 évvel ezelőtt az ókori görög gondolkodók sok olyan ötlettel álltak elő, amelyek nagyrészt ellenálltak az idő próbájának és túléltek a modernségig. Felismerték, hogy olyan távoli tárgyak, mint például a bolygók és a csillagok (a Földtől való távolság, amelyre a megfigyelőknek természetesen nem volt módjuk valójában fizikailag kötődtek egymáshoz annak ellenére, hogy feltehetően semmi sem hasonlított hozzájuk kábelekhez vagy kötelekhez együtt. Más elméletek hiányában a görögök azt javasolták, hogy a nap, a hold, a csillagok és a bolygók mozgását az istenek szeszélyei szabják meg. (Valójában az összes bolygó tudja, hogy azokban a napokban istenekről nevezték el.) Bár ez az elmélet szép és meghatározó volt, nem volt tesztelhető, és ezért nem volt több, mint a kielégítőbb és tudományosan szigorúbb állás magyarázat.

Csak körülbelül 300–400 évvel ezelőtt ismerték fel olyan csillagászok, mint Tycho Brahe és Galileo Galilei, hogy a bibliai akkor a közel 15 évszázados tanítások szerint a Föld és a bolygók a Nap körül forogtak, ahelyett, hogy a Föld világegyetem. Ez utat nyitott a gravitáció felfedezéséhez, ahogyan azt jelenleg értik.

Az egyik módszer a tárgyak közötti gravitációs vonzalomra, amelyet Jacob Bekenstein néhai elméleti fizikus esszé a CalTech szerint "olyan nagy hatótávolságú erők, amelyeket az elektromosan semleges testek egymásra gyakorolnak anyagtartalmuk miatt". Vagyis míg a tárgyak erőt tapasztalhatnak az elektrosztatikus töltés különbségei miatt, a gravitáció ehelyett puszta erőt eredményez tömeg. Technikailag Ön és az Ön által olvasott számítógép, telefon vagy táblagép gravitációs erőket fejt ki egymást, de te és az internetet támogató eszközöd olyan kicsi, hogy ez az erő gyakorlatilag kicsi kimutathatatlan. Nyilvánvaló, hogy a bolygók, csillagok, egész galaxisok, sőt galaxishalmazok méretarányú tárgyai esetében ez egy másik történet.

Isaac Newton (1642-1727), akit a történelem egyik legragyogóbb matematikai elméjének és a számítások területének egyik feltalálójának neveztek, hogy a két tárgy közötti gravitációs erő egyenesen arányos a tömegük szorzatával és fordítottan arányos a távolság távolságának négyzetével őket. Ez az egyenlet formáját ölti:

ahol F_grav a gravitációs erő newtonokban, m₁ és M₂ a tárgyak tömege kilogrammban, r az objektumokat elválasztó távolság méterben, a G arányossági állandó értéke 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Míg ez az egyenlet kiválóan működik mindennapi célokból, értéke csökken, ha a tárgyak benne vannak kérdés relativisztikus, vagyis tömegekkel és sebességekkel írható le, jóval a tipikus emberen kívül tapasztalat. Itt jön be Einstein gravitációs elmélete.

1905-ben Albert Einstein, akinek neve talán a legismertebb a tudomány történetében és a szinonimája a géniusz szintű bravúroknak, közzétette különleges relativitáselméletét. Ez a fizikai ismeretek meglévő testére gyakorolt ​​egyéb hatások mellett megkérdőjelezte a Newton-ba épített feltételezést a gravitáció fogalma, vagyis az, hogy a gravitáció gyakorlatilag azonnal működött a tárgyak között, tekintet nélkül a hatalmas tömegükre elválasztás. Miután Einstein számításai megállapították, hogy a fénysebesség 3 × 10⁸ m / s vagy kb. 186 000 mérföld / másodperc, ami felső határt szabott annak, hogy bármi gyorsan terjedhet az űrben, Newton ötletei hirtelen sebezhetőnek tűntek, legalábbis bizonyos esetekben. Más szavakkal, míg a newtoni gravitációs elmélet szinte minden elképzelhető összefüggésben továbbra is csodálatosan teljesített, nyilvánvalóan nem volt a gravitáció általánosan igaz leírása.

Einstein a következő 10 évet egy másik elmélet megfogalmazásával töltötte, amely egyeztetni fogja Newton alapvető gravitációs elméletét keret a felső határral a fénysebesség a világegyetem összes folyamatára rátett, vagy úgy tűnt, hogy ráterhelt. Az eredmény, amelyet Einstein 1915-ben vezetett be, a relativitáselmélet általános elmélete volt. Ennek az elméletnek a diadala, amely napjainkig minden gravitációs elmélet alapját képezi, az a gravitáció fogalmát a tér-idő görbületének megnyilvánulásaként, nem pedig per erőként fogalmazta meg se. Ez az ötlet nem volt teljesen új; a matematikus, Georg Bernhard Riemann 1854-ben készített ehhez kapcsolódó ötleteket. De Einstein a gravitációs elméletet a pusztán fizikai erőkben gyökerezőből átalakította egy többé geometrián alapuló elmélet: De facto a negyedik dimenziót, az időt javasolta, hogy kísérje a három térbeli dimenziót már ismerős.

Einstein általános relativitáselméletének egyik következménye, hogy a gravitáció a tárgyak tömegétől vagy fizikai összetételétől függetlenül működött. Ez azt jelenti, hogy többek között a felhőkarcoló tetejéről ledobott ágyúgolyó és márvány a föld felé hull ugyanaz a sebesség, amelyet a gravitációs erő pontosan ugyanolyan mértékben gyorsít fel annak ellenére, hogy az egyik sokkal masszívabb, mint a másik. (A teljesség kedvéért fontos megjegyezni, hogy ez technikailag csak vákuumban igaz, ahol a légellenállás nem kérdés. Egy toll egyértelműen lassabban esik, mint egy lövés, de vákuumban ez nem így lenne.) Einstein ötletének ez a szempontja eléggé tesztelhető volt. De mi a helyzet a relativisztikus helyzetekkel?

2018 júliusában egy nemzetközi csillagászcsoport befejezte a Földtől 4200 fényévre fekvő háromcsillagos rendszer vizsgálatát. Fényév, mivel a fény egy év alatt megteszi a távolságot (körülbelül hat billió mérföld), ez azt jelenti, hogy a csillagászok itt a Földön fénykibocsátó jelenségek megfigyelése, amelyek Kr. e. Ez a szokatlan rendszer két apró, sűrű csillagból áll - az egyik a "pulzár" másodpercenként 366-szor forog a tengelyén, a másik pedig egy fehér törpe - figyelemreméltóan rövid, 1,6 periódussal kering egymás körül. napok. Ez a pár viszont 327 naponta kering egy távoli fehér törpe csillag körül. Röviden, a gravitáció egyetlen leírása, amely a három csillag kölcsönös frenetikus mozgásait magyarázhatja ebben nagyon szokatlan rendszer volt Einstein általános relativitáselmélete - és az egyenletek valójában illeszkednek a helyzethez tökéletesen.