Kas sukelia žemės trauką?

Dauguma žmonių, moksliškai orientuoti ar kitaip, bent jau neaiškiai įsivaizduoja, kad koks nors kiekis ar sąvoka, vadinama „gravitacija“, yra objektai, įskaitant ir juos pačius, pririšti prie Žemės. Jie supranta, kad tai yra palaima apskritai, bet mažiau tam tikrose situacijose - tarkime, kai tupi ant medžio šakos ir šiek tiek nežinote, kaip sugrįžti į žemę nepažeistas, ar bandant užfiksuoti naują asmeninį rekordą tokiame renginyje kaip šuolis į aukštį ar stulpas skliautas.

Turbūt sunku įvertinti pačią gravitacijos sampratą, kol nepamatysi, kas nutiks, kai jos įtaka bus sumažinta arba išnaikinti, pavyzdžiui, stebint astronautų medžiagą kosminėje stotyje, skriejančioje aplink planetą toli nuo Žemės paviršius. Tiesą sakant, fizikai menkai įsivaizduoja, kas galiausiai „sukelia“ gravitaciją, nei jie bet kuriam iš mūsų gali pasakyti, kodėl visata iš viso egzistuoja. Tačiau fizikai sukūrė lygtis, apibūdinančias tai, ką sunkis daro ypač gerai ne tik Žemėje, bet ir visame kosmose.

Daugiau nei prieš 2000 metų senovės Graikijos mąstytojai pateikė daug idėjų, kurios iš esmės atlaikė laiko išbandymą ir išliko iki modernumo. Jie suprato, kad tolimi objektai, tokie kaip planetos ir žvaigždės (tikrieji atstumai nuo Žemės, stebėtojai, žinoma, niekaip negalėjo iš tikrųjų buvo fiziškai surišti vienas su kitu, nepaisant to, kad greičiausiai neturėjo nieko panašaus į juos jungiančius kabelius ar virves kartu. Nesant kitų teorijų, graikai pasiūlė, kad saulės, mėnulio, žvaigždžių ir planetų judesius diktuotų dievų užgaidos. (Tiesą sakant, visos planetos žino, kad tais laikais jos buvo pavadintos dievų vardu.) Nors ši teorija buvo tvarkinga ir ryžtinga, ji nebuvo išbandomas, todėl buvo ne tik pasirenkamas labiau patenkinantis ir moksliškai griežtas paaiškinimas.

Tik maždaug prieš 300–400 metų tokie astronomai kaip Tycho Brahe ir Galileo Galilei pripažino, kad, priešingai nei Biblijoje, mokymų, kurie buvo beveik 15 amžių senumo, Žemė ir planetos sukosi aplink saulę, o ne Žemė buvo visata. Tai atvėrė kelią gravitacijos tyrimams, kaip dabar suprantama.

Vienas iš būdų galvoti apie gravitacinį potraukį tarp objektų, išreikštą vėlyvo teorijos fiziko Jacobo Bekensteino esė „CalTech“ yra „tolimojo veikimo jėgos, kurias elektriniai neutralūs kūnai daro vienas kitam dėl jų medžiagos kiekio“. Tai yra, nors objektai gali patirti jėgą dėl elektrostatinio krūvio skirtumų, gravitacija vietoj to sukelia jėgą dėl vien tik masės. Techniškai jūs ir kompiuteris, telefonas ar planšetinis kompiuteris, kurį tai skaitote, veikia gravitacines jėgas vienas kitą, bet jūs ir jūsų įrenginys, kuriame veikia internetas, yra tokie maži, kad šios jėgos praktiškai nėra neaptinkamas. Akivaizdu, kad objektams, esantiems planetos mastu, žvaigždėms, ištisoms galaktikoms ir net galaktikų grupėms, tai yra kitokia istorija.

Isaacas Newtonas (1642–1727), pasižymėjęs tuo, kad yra vienas ryškiausių matematikos protų istorijoje ir vienas iš skaičiavimo lauko sumanytojų, pasiūlė kad gravitacijos jėga tarp dviejų objektų yra tiesiogiai proporcinga jų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp kvadrato juos. Tai pasireiškia lygties forma:

kur F_grav yra traukos jėga niutonais, m₁ ir m₂ yra objektų masės kilogramais, r yra atstumas, atskiriantis objektus metrais, o proporcingumo konstantos G vertė yra 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²)/kilogramas².

Nors ši lygtis puikiai veikia kasdien, jos vertė sumažėja, kai objektai yra klausimas yra reliatyvistinis, tai yra, apibūdinamas masėmis ir greičiu, gerokai už tipiško žmogaus ribų patirtis. Čia atsiranda Einšteino gravitacijos teorija.

1905 m. Albertas Einšteinas, kurio vardas yra bene labiausiai atpažįstamas mokslo istorijoje ir labiausiai sinonimas genijaus lygio žygdarbiams, paskelbė savo specialiąją reliatyvumo teoriją. Be kitų padarinių, padarytų esamiems fizikos žinių būriams, jis kvestionavo Newtono prielaidą gravitacijos samprata, ty gravitacija, veikianti akimirksniu tarp objektų, neatsižvelgiant į jų platumą atsiskyrimas. Po Einšteino skaičiavimų nustatyta, kad šviesos greitis yra 3 × 10⁸ m / s arba apie 186 000 mylių per sekundę, nustatė viršutinę ribą, kaip greitai viskas gali būti skleidžiama per kosmosą, Niutono idėjos staiga atrodė pažeidžiamos, bent jau tam tikrais atvejais. Kitaip tariant, nors Niutono gravitacijos teorija ir toliau puikiai pasirodė beveik visuose įsivaizduojamuose kontekstuose, akivaizdu, kad tai nebuvo visuotinai tikras gravitacijos apibūdinimas.

Ateinančius 10 metų Einšteinas praleido formuluodamas kitą teoriją, kuri suderintų pagrindinę Niutono gravitacijos teoriją karkasą su viršutine riba šviesos greičiu, nustatytu arba, atrodo, primetamu visiems visatos procesams. Rezultatas, kurį Einšteinas pristatė 1915 m., Buvo bendra reliatyvumo teorija. Šios teorijos, kuri yra visų gravitacijos teorijų pagrindas iki šių dienų, triumfas yra tas ji suformavo gravitacijos sampratą kaip erdvės-laiko kreivumo apraišką, o ne kaip jėgą se. Ši idėja nebuvo visiškai nauja; matematikas Georgas Bernhardas Riemannas pateikė susijusių idėjų 1854 m. Tačiau Einšteinas gravitacijos teoriją pavertė grynai fizinių jėgų pagrindu sukurta teorija daugiau geometrija pagrįsta teorija: ji pasiūlė de facto ketvirtąją dimensiją - laiką, kuri papildytų tris buvusius erdvinius matmenis jau pažįstamas.

Viena iš Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos reikšmių yra ta, kad gravitacija veikė nepriklausomai nuo daiktų masės ar fizinės sudėties. Tai reiškia, kad, be kita ko, nuo dangoraižio viršaus numestas patrankos sviedinys ir marmuras nukris link žemės, tas pats greitis, kurį gravitacijos jėga pagreitino tiksliai tiek pat, nepaisant to, kad vienas buvo daug masyvesnis už kitą. (Svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad tai techniškai teisinga tik vakuume, kur oro pasipriešinimas nėra problema. Plunksna akivaizdžiai krenta lėčiau nei šaudymas, tačiau vakuume to nebūtų.) Šis Einšteino idėjos aspektas buvo pakankamai patikrinamas. Bet kaip su reliatyvistinėmis situacijomis?

2018 m. Liepos mėn. Tarptautinė astronomų komanda baigė keturių žvaigždučių sistemos, esančios 4200 šviesmečių nuo Žemės, tyrimą. Šviesos metai, kai šviesa nuvažiuoja per vienerius metus (apie šešis trilijonus mylių), reiškia, kad astronomai čia, Žemėje, buvo stebėdamas šviesą atskleidžiančius reiškinius, kurie iš tikrųjų įvyko maždaug 2200 m. Šią neįprastą sistemą sudaro dvi mažos, tankios žvaigždės - viena a „pulsaras“ sukosi ant savo ašies 366 kartus per sekundę, o kitas - baltasis nykštukas, skriejantis vienas kitam nepaprastai trumpu - 1,6 dienų. Ši pora savo ruožtu kas 327 dienas skrieja aplink tolimesnę baltą nykštukų žvaigždę. Trumpai tariant, vienintelis sunkio jėgos apibūdinimas, galintis paaiškinti trijų žvaigždžių tarpusavio pašėlusius judesius labai neįprasta sistema buvo bendroji Einšteino reliatyvumo teorija - ir lygtys iš tikrųjų tinka situacijai puikiai.