מה גורם לכוח המשיכה על פני כדור הארץ?

לרוב האנשים, בעלי אוריינטציה מדעית או אחרת, יש לפחות רעיון מעורפל שכמות או מושג כלשהו המכונה "כוח משיכה" הוא זה שמחזיק עצמים, כולל עצמם, קשורים לכדור הארץ. הם מבינים שזו ברכה באופן כללי, אך פחות מכך במצבים מסוימים - נניח כאשר הם יושבים על ענף עץ וקצת לא בטוח איך לחזור לקרקע ללא פגע, או כשמנסים לקבוע שיא אישי חדש באירוע כמו קפיצה לגובה או הקוטב כספת.

אולי קשה להעריך את מושג הכבידה עצמו עד לראות מה קורה כאשר השפעתו מופחתת או שנמחק, כמו למשל בעת צפייה בתמונות של אסטרונאוטים בתחנת חלל המקיפה את כדור הארץ הרחק מכדור הארץ משטח. ולמען האמת, לפיזיקאים אין מושג מה בסופו של דבר "גורם" לכוח המשיכה, יותר ממה שהם יכולים לומר לאף אחד מאיתנו מדוע היקום קיים מלכתחילה. עם זאת, פיזיקאים ייצרו משוואות המתארות את מה שכוח המשיכה עושה בצורה יוצאת דופן, לא רק על כדור הארץ אלא בכל רחבי הקוסמוס.

לפני למעלה מ -2,000 שנה, הוגי הדעות היוונים הקדומים העלו הרבה רעיונות שעמדו במידה רבה במבחן הזמן ושרדו עד ימינו. הם הבחינו כי עצמים רחוקים כמו כוכבי לכת וכוכבים (המרחקים האמיתיים מכדור הארץ, כמובן, למתבוננים לא הייתה שום דרך למעשה, היו קשורים זה לזה פיזית למרות שיש להניח שאין להם שום דבר כמו כבלים או חבלים המחברים ביניהם יַחַד. נעדר תיאוריות אחרות, היוונים הציעו שתנועות השמש, הירח, הכוכבים וכוכבי הלכת יוכתבו על ידי גחמות האלים. (למעשה, כל כוכבי הלכת יודעים שבאותם הימים נקראו על שם אלים.) התיאוריה הזו אמנם הייתה מסודרת ונחרצת, אך היא לא היה ניתן לבדיקה, ולכן לא היה יותר מ- Stand-in לסיפוק יותר וקפדני מדעית הֶסבֵּר.

רק לפני כ -300 עד 400 שנה הכירו אסטרונומים כמו טיכו ברהה וגלילאו גליליי בכך, בניגוד למקרא. תורות שהיו אז קרוב לגיל 15 מאות, כדור הארץ וכוכבי הלכת סובבו סביב השמש, ולא כדור הארץ במרכז ה עוֹלָם. זה סלל את הדרך לחקר כוח המשיכה כפי שהוא מובן כיום.

דרך אחת לחשוב על משיכת הכבידה בין אובייקטים, שבאה לידי ביטוי הפיזיקאי התיאורטי המנוח ג'ייקוב בקנשטיין מַסָה עבור CalTech, הוא כמו "כוחות ארוכי טווח שגופים נייטרליים חשמלית מפעילים זה על זה בגלל תכולת החומר שלהם." זה, בעוד שאובייקטים עשויים לחוות כוח כתוצאה מהבדלים במטען האלקטרוסטטי, כוח המשיכה במקום זה גורם לכוח הנובע מכך מסה. מבחינה טכנית, אתה והמחשב, הטלפון או הטאבלט שאתה קורא על זה מפעילים כוחות כוח משיכה אחד את השני, אבל אתה והמכשיר התומך באינטרנט שלך כל כך קטנים שהכוח הזה הוא כמעט בלתי ניתן לגילוי. ברור שלעצמים בסדר גודל של כוכבי לכת, כוכבים, גלקסיות שלמות ואפילו מקבצי גלקסיות, זה סיפור אחר.

אייזק ניוטון (1642-1727), שזכה להיות אחד המוחות המתמטיים המבריקים בהיסטוריה ואחד מממציאי השדה של תחשיב, הציע שכוח הכובד בין שני עצמים הוא ביחס ישר לתוצר מסותיהם וביחס הפוך לריבוע המרחק שבין אוֹתָם. זה לובש בצורה של המשוואה:

איפה F_גרב הוא כוח הכבידה בניוטונים, מ₁ ו מ₂ הם מסות האובייקטים בקילוגרמים, r הוא המרחק המפריד בין האובייקטים במטרים וערך קבוע המידתיות G הוא 6.67 × 10^-11 (N ⋅ מ '²)/ק"ג².

בעוד שמשוואה זו עובדת מצוין למטרות יומיומיות, ערכה פוחת כאשר האובייקטים פנימה השאלה הינה יחסית, כלומר, מתוארת על ידי המונים ומהירויות הרבה מעבר לאדם טיפוסי ניסיון. כאן נכנסת תורת הכבידה של איינשטיין.

בשנת 1905 פרסם אלברט איינשטיין, ששמו אולי המוכר ביותר בתולדות המדע והשם הכי נרדף להישגים ברמה גאונית, את תורת היחסות המיוחדת שלו. בין שאר ההשפעות שהיו לכך על גוף הידע הפיזיקלי הקיים, הוא הטיל ספק בהנחה המובנית בתוך ניוטון מושג הכבידה, כלומר כוח המשיכה למעשה פעל באופן מיידי בין עצמים ללא קשר לגודל העצום שלהם הַפרָדָה. לאחר חישוביו של איינשטיין נקבע כי מהירות האור, 3 × 10⁸ m / s או כ 186,000 מייל לשנייה, הציבו גבול עליון למהירות שניתן היה להפיץ משהו בחלל, הרעיונות של ניוטון נראו פתאום פגיעים, לפחות במקרים מסוימים. במילים אחרות, בעוד שתורת הכבידה הניוטונית המשיכה להופיע בצורה מופלאה כמעט בכל ההקשרים שניתן להעלות על הדעת, ברור שזה לא היה תיאור אמיתי אוניברסלי של כוח המשיכה.

איינשטיין בילה את עשר השנים הבאות בגיבוש תיאוריה אחרת, כזו שתפייס בין הכבידה הבסיסית של ניוטון מסגרת עם הגבול העליון את מהירות האור שהוטלה, או שנראתה כופה, על כל התהליכים ביקום. התוצאה, אותה הציג איינשטיין בשנת 1915, הייתה תורת היחסות הכללית. הניצחון של תיאוריה זו, המהווה את הבסיס לכל תיאוריות הכבידה עד היום, הוא זה הוא מסגר את מושג הגרביטציה כביטוי לעיקול המרחב-זמן, לא ככוח לפי se. הרעיון הזה לא היה חדש לגמרי; המתמטיקאי גאורג ברנהרד רימן הפיק רעיונות קשורים בשנת 1854. אבל אינשטיין הפך בכך את תורת הכבידה ממשהו ששורשיו נעוץ אך ורק בכוחות פיזיקליים ליותר תיאוריה מבוססת גיאומטריה: היא הציעה ממד רביעי דה-פקטו, הזמן, שילווה את שלושת הממדים המרחבים שהיו כבר מוכר.

אחת ההשלכות של תורת היחסות הכללית של איינשטיין היא שכוח המשיכה פעל ללא תלות במסה או בהרכב הפיזי של עצמים. המשמעות היא שבין היתר כדור תותח ושיש שנפל מעל ראש גורד שחקים ייפלו לעבר האדמה בשעה אותה מהירות, המואצת באותה המידה בדיוק בכוח הכובד למרות שהאחת מסיבית בהרבה מהשנייה. (חשוב לציין למען השלמות כי הדבר נכון טכנית רק בוואקום, שבו התנגדות האוויר אינה נושא. נוצה נופלת בבירור לאט יותר ממה שקליעה נופלת, אך בחלל ריק, זה לא יהיה המקרה.) היבט זה של הרעיון של איינשטיין היה מספיק לבדיקה. אבל מה לגבי מצבים רלטיביסטיים?

ביולי 2018, צוות אסטרונומים בינלאומי סיכם מחקר על מערכת משולשת-כוכבים הנמצאת במרחק 4,200 שנות אור מכדור הארץ. שנת אור היא מרחק האור שעוברת בשנה אחת (כששה טריליון מייל), פירוש הדבר שהאסטרונומים כאן על כדור הארץ היו התבוננות בתופעות חושפות אור שהתרחשו בפועל בסביבות 2,200 לפני הספירה. מערכת יוצאת דופן זו מורכבת משני כוכבים זעירים וצפופים - אחד א "פולסר" מסתובב על צירו 366 פעמים בשנייה, והשני גמד לבן - מקיף זה את זה עם תקופה קצרה להפליא של 1.6 ימים. זוג זה בתורו מקיף כוכב ננס לבן רחוק יותר כל 327 יום. בקיצור, התיאור היחיד של כוח המשיכה שיכול היה להסביר את התנועות התזזתיות ההדדיות של שלושת הכוכבים בכך מערכת יוצאת דופן ביותר הייתה תורת היחסות הכללית של איינשטיין - והמשוואות, למעשה, תואמות את המצב באופן מושלם.