Kas izraisa gravitāciju uz Zemes?

Lielākajai daļai cilvēku, kas ir zinātniski orientēti vai citādi, ir vismaz neskaidrs priekšstats, ka kaut kāds daudzums vai jēdziens, ko sauc par "gravitāciju", ir tas, kas objektus, tostarp arī viņus, piesien pie Zemes. Viņi saprot, ka tā ir svētība kopumā, bet mazāk tā ir noteiktās situācijās - teiksim, kad sēž uz koka zara un nedaudz nezināt, kā atgriezties zemē neskarts, vai mēģināt uzstādīt jaunu personisko rekordu tādos notikumos kā augstlēkšana vai stabs velve.

Varbūt ir grūti novērtēt pašu smaguma jēdzienu, līdz redzam, kas notiek, kad tā ietekme ir mazāka vai iznīcināti, piemēram, skatoties astronautu kadrus kosmosa stacijā, kas riņķo ap planētu tālu no Zemes virsma. Un patiesībā fiziķiem ir maz nojausmas par to, kas galu galā "rada" gravitāciju, nekā viņi jebkuram no mums var pateikt, kāpēc Visums vispār pastāv. Tomēr fiziķi ir izstrādājuši vienādojumus, kas raksturo to, ko gravitācija izdara ārkārtīgi labi, ne tikai uz Zemes, bet arī visā kosmosā.

Pirms vairāk nekā 2000 gadiem sengrieķu domātāji nāca klajā ar daudzām idejām, kas lielā mērā izturēja laika pārbaudi un izdzīvoja līdz mūsdienām. Viņi pamanīja, ka tālu objekti, piemēram, planētas un zvaigznes (patiesie attālumi no Zemes, kuriem, protams, novērotājiem nebija iespējas patiesībā, bija fiziski saistīti viens ar otru, neskatoties uz to, ka, domājams, nekas cits kā kabeļi vai troses tos nesavienoja kopā. Bez citām teorijām grieķi ierosināja, ka saules, mēness, zvaigžņu un planētu kustības diktē dievu iegribas. (Patiesībā visas planētas, kas tajos laikos zina, tika nosauktas dievu vārdā.) Lai gan šī teorija bija kārtīga un izlēmīga, tā nebija pārbaudāms, un tāpēc tas bija tikai iestāšanās par apmierinošāku un zinātniski stingrāku paskaidrojums.

Tikai pirms aptuveni 300 līdz 400 gadiem astronomi, piemēram, Tycho Brahe un Galileo Galilei, atzina, ka pretēji Bībeles mācības, kas toreiz bija tuvu 15 gadsimtiem vecas, Zeme un planētas griezās ap sauli, nevis Zeme atradās Visums. Tas pavēra ceļu gravitācijas izpētei, kā tas tagad tiek saprasts.

Viens veids, kā domāt par gravitācijas pievilcību starp objektiem, ko izteicis vēlīnā teorētiskais fiziķis Jēkabs Bekenšteins eseja CalTech uzskata, ka tas ir "liela attāluma spēki, kurus elektriski neitrāli ķermeņi iedarbojas viens uz otru matērijas satura dēļ". Tas ir, kamēr objekti var izjust spēku elektrostatiskā lādiņa atšķirību rezultātā, gravitācijas vietā rodas spēks, pateicoties milzīgam masa. Tehniski jūs un dators, tālrunis vai planšetdators, kuru to lasāt, iedarbina gravitācijas spēkus viens otram, bet jūs un jūsu ierīce ar iespējotu internetu ir tik maza, ka šis spēks faktiski ir nav nosakāms. Acīmredzot par objektiem planētu mērogā, zvaigznēs, veselās galaktikās un pat galaktiku kopās tas ir cits stāsts.

Izaaks Ņūtons (1642–1727), kurš uzskatāms par vienu no spožākajiem matemātiskajiem prātiem vēsturē un vienu no aprēķina jomas līdzgudrotājiem, ierosināja ka smaguma spēks starp diviem objektiem ir tieši proporcionāls to masu reizinājumam un apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam starp tos. Tas izpaužas kā vienādojums:

kur F_grav ir gravitācijas spēks ņūtonos, m₁ un m₂ ir objektu masas kilogramos, r ir attālums, kas atdala objektus metros, un proporcionalitātes konstantes G vērtība ir 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²)/Kilograms².

Lai gan šis vienādojums lieliski darbojas ikdienas vajadzībām, tā vērtība samazinās, kad objekti atrodas jautājums ir relatīvistisks, tas ir, to masas un ātrumi apraksta krietni ārpus tipiskā cilvēka pieredze. Šeit nāk Einšteina gravitācijas teorija.

1905. gadā Alberts Einšteins, kura vārds, iespējams, ir visatpazīstamākais zinātnes vēsturē un visvairāk sinonīms ģēnija līmeņa varoņdarbiem, publicēja savu īpašo relativitātes teoriju. Starp citiem efektiem, kas tam bija uz esošo fizikas zināšanu kopumu, tas apšaubīja pieņēmumu, kas iebūvēts Ņūtonā gravitācijas jēdziens, kas ir tāds, ka gravitācija faktiski darbojas uzreiz starp objektiem neatkarīgi no to plašuma atdalīšana. Pēc Einšteina aprēķiniem tika konstatēts, ka gaismas ātrums ir 3 × 10⁸ m / s jeb aptuveni 186 000 jūdzes sekundē, kas uzlika augšējo robežu tam, cik ātri kaut ko var izplatīt kosmosā, Ņūtona idejas pēkšņi vismaz dažos gadījumos izskatījās neaizsargātas. Citiem vārdiem sakot, kaut arī Ņūtona gravitācijas teorija turpināja darboties apbrīnojami gandrīz visos iedomājamajos kontekstos, tā acīmredzami nebija universāli patiess gravitācijas apraksts.

Nākamos 10 gadus Einšteins pavadīja, formulējot citu teoriju, kas saskaņotu Ņūtona pamata gravitācijas teoriju ietvaru ar augšējo robežu gaismas ātrums uzliek vai šķiet, ka tas uzliek visiem Visuma procesiem. Rezultāts, kuru Einšteins ieviesa 1915. gadā, bija vispārējā relativitātes teorija. Šīs teorijas, kas veido visu gravitācijas teoriju pamatu līdz mūsdienām, triumfs ir tāds tas ierāmēja gravitācijas jēdzienu kā telpas-laika izliekuma izpausmi, nevis kā spēku uz vienu se. Šī ideja nebija pavisam jauna; matemātiķis Georgs Bernhards Rīmans 1854. gadā bija izstrādājis saistītas idejas. Bet Einšteins tādējādi gravitācijas teoriju no kaut kā, kas sakņojas tikai fiziskajos spēkos, pārveidoja par vairāk uz ģeometriju balstīta teorija: tā piedāvāja de facto ceturto dimensiju - laiku, kas papildinātu trīs telpiskās dimensijas, kas bija jau pazīstams.

Viena no Einšteina vispārējās relativitātes teorijas sekām ir tā, ka gravitācija darbojās neatkarīgi no objektu masas vai fiziskā sastāva. Tas nozīmē, ka, cita starpā, no debesskrāpja virsotnes nomests lielgabala lode un marmors nokritīs zemes virzienā plkst. tas pats ātrums, kuru gravitācijas spēks paātrina tieši tādā pašā mērā, neskatoties uz to, ka viens ir daudz masīvāks nekā otrs. (Pilnības labad ir svarīgi atzīmēt, ka tas tehniski ir taisnība tikai vakuumā, kur gaisa pretestība nav problēma. Spalva nepārprotami krīt lēnāk nekā lodes grūšana, taču vakuumā tas tā nebūtu.) Šis Einšteina idejas aspekts bija pietiekami pārbaudāms. Bet kā ar relatīvistiskām situācijām?

2018. gada jūlijā starptautiska astronomu komanda pabeidza pētījumu par trīszvaigžņu sistēmu, kas atrodas 4200 gaismas gadu attālumā no Zemes. Gaismas gads ir gaismas attālums vienā gadā (apmēram seši triljoni jūdžu), tas nozīmē, ka astronomi šeit uz Zemes bija novērojot gaismu atklājošas parādības, kas faktiski notika aptuveni 2200. gadā p.m.ē. Šo neparasto sistēmu veido divas niecīgas, blīvas zvaigznes - viena a "pulsārs" griežas pa savu asi 366 reizes sekundē, bet otrs - baltais punduris, kurš riņķo viens otram apkārt ar ļoti īsu periodu - 1,6 dienas. Šis pāris savukārt ik pēc 327 dienām riņķo ap attālāku balto rūķu zvaigzni. Īsāk sakot, vienīgais smaguma raksturojums, kas varētu izskaidrot trīs zvaigžņu savstarpējās satracinātās kustības ļoti neparasta sistēma bija Einšteina vispārējā relativitātes teorija - un vienādojumi faktiski atbilst situācijai perfekti.