Co powoduje grawitację na Ziemi?

Większość ludzi, zorientowanych naukowo lub nie, ma co najmniej mgliste pojęcie, że jakaś ilość lub koncepcja zwana "grawitacją" utrzymuje obiekty, w tym one same, przywiązane do Ziemi. Rozumieją, że jest to w ogóle błogosławieństwo, ale w niektórych sytuacjach mniej – powiedzmy, gdy usiądzie na gałęzi drzewa i trochę niepewny, jak wrócić na ziemię bez szwanku, lub gdy próbujesz ustanowić nowy osobisty rekord w zawodach takich jak skok wzwyż lub biegun sklepienie.

Być może trudno jest docenić samo pojęcie grawitacji, dopóki nie zobaczymy, co się stanie, gdy jej wpływ zostanie zmniejszony lub zatarte, na przykład podczas oglądania materiału astronautów na stacji kosmicznej krążącej wokół planety z dala od Ziemi powierzchnia. I tak naprawdę fizycy mają niewielkie pojęcie o tym, co ostatecznie „powoduje” grawitację, podobnie jak nie są w stanie powiedzieć komukolwiek z nas, dlaczego wszechświat istnieje w ogóle. Fizycy stworzyli jednak równania, które opisują, co grawitacja działa wyjątkowo dobrze, nie tylko na Ziemi, ale w całym kosmosie.

Ponad 2000 lat temu starożytni greccy myśliciele wpadli na wiele pomysłów, które w dużej mierze przetrwały próbę czasu i przetrwały do ​​współczesności. Zauważyli, że odległe obiekty, takie jak planety i gwiazdy (o prawdziwej odległości od Ziemi, oczywiście obserwatorzy nie mieli możliwości wiedzy) były w rzeczywistości fizycznie połączone ze sobą, mimo że prawdopodobnie nie miały nic takiego jak kable lub liny łączące ich razem. Wobec innych teorii Grecy sugerowali, że ruchy słońca, księżyca, gwiazd i planet były podyktowane kaprysami bogów. (W rzeczywistości wszystkie znane planety w tamtych czasach zostały nazwane imionami bogów.) Chociaż ta teoria była zgrabna i zdecydowana, nie był testowalny i dlatego był tylko zastępstwem dla bardziej satysfakcjonującego i naukowo rygorystycznego wyjaśnienie.

Dopiero około 300 do 400 lat temu astronomowie tacy jak Tycho Brahe i Galileo Galilei uznali, że wbrew biblijnemu Nauki, które miały wówczas blisko 15 wieków, Ziemia i planety krążyły wokół Słońca, a nie Ziemia będąca w centrum wszechświat. Utorowało to drogę do badań grawitacji w jej obecnym rozumieniu.

Jeden ze sposobów myślenia o przyciąganiu grawitacyjnym między obiektami, wyrażony przez nieżyjącego już fizyka teoretycznego Jacoba Bekensteina w Praca pisemna dla CalTech to „siły dalekiego zasięgu, które elektrycznie neutralne ciała wywierają na siebie ze względu na zawartość materii”. To jest, podczas gdy obiekty mogą doświadczać siły w wyniku różnic w ładunku elektrostatycznym, grawitacja zamiast tego powoduje siłę ze względu na sheer masa. Technicznie rzecz biorąc, ty i komputer, telefon lub tablet, na którym to czytasz, wywierasz siły grawitacyjne siebie nawzajem, ale ty i twoje urządzenie z dostępem do Internetu jesteście tak małe, że ta siła jest praktycznie niewykrywalny. Oczywiście dla obiektów w skali planet, gwiazd, całych galaktyk, a nawet gromad galaktyk to już inna historia.

Isaac Newton (1642-1727), uznawany za jednego z najwybitniejszych umysłów matematycznych w historii i jednego ze współtwórców dziedziny rachunku różniczkowego, zaproponował że siła grawitacji między dwoma obiektami jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi im. Przybiera to postać równania:

gdzie F_grav jest siła grawitacyjna w niutonach, m₁ oraz m₂ to masy obiektów w kilogramach, r to odległość dzieląca obiekty w metrach, a wartość stałej proporcjonalności G wynosi 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²)/kg².

Chociaż równanie to sprawdza się znakomicie w codziennych celach, jego wartość maleje, gdy obiekty w pytania są relatywistyczne, to znaczy opisane przez masy i prędkości daleko poza typowym człowiekiem doświadczenie. Tu właśnie wkracza teoria grawitacji Einsteina.

W 1905 roku Albert Einstein, którego nazwisko jest chyba najbardziej rozpoznawalne w historii nauki i najbardziej synonimem wyczynów geniuszu, opublikował swoją specjalną teorię względności. Wśród innych skutków, jakie miało to na istniejącą wiedzę z zakresu fizyki, zakwestionowało to założenie wbudowane w koncepcję Newtona pojęcie grawitacji, która polega na tym, że grawitacja w efekcie działała natychmiastowo pomiędzy obiektami, niezależnie od ich ogromu separacja. Po obliczeniach Einsteina ustalono, że prędkość światła 3 × 10⁸ m/s, czyli około 186 000 mil na sekundę, wyznaczało górną granicę szybkości rozprzestrzeniania się czegokolwiek w przestrzeni, idee Newtona nagle wydawały się zagrożone, przynajmniej w niektórych przypadkach. Innymi słowy, chociaż newtonowska teoria grawitacji nadal sprawdzała się znakomicie w prawie wszystkich wyobrażalnych kontekstach, wyraźnie nie była to uniwersalnie prawdziwy opis grawitacji.

Einstein spędził następne 10 lat na sformułowaniu kolejnej teorii, która pogodziłaby podstawowe grawitacje Newtona ramy z górną granicą prędkość światła narzucała lub wydawała się nakładać na wszystkie procesy we wszechświecie. Rezultatem, który Einstein wprowadził w 1915 roku, była ogólna teoria względności. Triumfem tej teorii, która do dziś stanowi podstawę wszystkich teorii grawitacyjnych, jest to, że: sformułował koncepcję grawitacji jako przejaw krzywizny czasoprzestrzeni, a nie jako siłę na se. Ten pomysł nie był zupełnie nowy; matematyk Georg Bernhard Riemann stworzył podobne idee w 1854 roku. Ale Einstein przekształcił w ten sposób teorię grawitacji z czegoś zakorzenionego wyłącznie w siłach fizycznych w coś więcej teoria oparta na geometrii: zaproponowała de facto czwarty wymiar, czas, towarzyszący trzem wymiarom przestrzennym, które były już znajomy.

Jedną z implikacji ogólnej teorii względności Einsteina jest to, że grawitacja działała niezależnie od masy lub fizycznego składu obiektów. Oznacza to, że m.in. kula armatnia i kulka zrzucona ze szczytu wieżowca spadną na ziemię o godz. ta sama prędkość, przyspieszona dokładnie w tym samym stopniu przez siłę grawitacji, mimo że jedna jest znacznie masywniejsza od drugiej. (Ważne jest, aby zwrócić uwagę na kompletność, że jest to technicznie prawdziwe tylko w próżni, gdzie opór powietrza nie jest problemem. Piórko wyraźnie spada wolniej niż pchnięcie kulą, ale w próżni tak by nie było). Ten aspekt pomysłu Einsteina był wystarczająco testowalny. Ale co z sytuacjami relatywistycznymi?

W lipcu 2018 r. międzynarodowy zespół astronomów zakończył badanie układu potrójnego gwiazdy 4200 lat świetlnych od Ziemi. Rok świetlny to odległość, jaką światło pokonuje w ciągu jednego roku (około sześciu bilionów mil), co oznacza, że ​​astronomowie na Ziemi byli obserwując zjawiska objawiające się światłem, które faktycznie miały miejsce około 2200 p.n.e. Ten niezwykły system składa się z dwóch maleńkich, gęstych gwiazd – jednej a „pulsar” obracający się wokół własnej osi 366 razy na sekundę, a drugi biały karzeł – okrążający się nawzajem z wyjątkowo krótkim okresem 1,6 dni. Ta para z kolei okrąża bardziej odległego białego karła co 327 dni. Krótko mówiąc, jedyny opis grawitacji, który mógłby wyjaśnić wzajemne szaleńcze ruchy trzech gwiazd w tym przypadku bardzo niezwykłym systemem była ogólna teoria względności Einsteina – a równania w rzeczywistości pasują do sytuacji doskonale.