Ce cauzează gravitația pe Pământ?

Majoritatea oamenilor, orientați științific sau altfel, au cel puțin o idee vagă că o cantitate sau un concept numit „gravitație” este ceea ce ține obiectele, inclusiv ele însele, legate de Pământ. Ei înțeleg că aceasta este o binecuvântare în general, dar mai puțin în anumite situații - să zicem, când sunt cocoțați pe o ramură de copac și puțin nu știți cum să vă întoarceți la pământ nevătămat sau când încercați să stabiliți un nou record personal într-un eveniment precum săritura în înălțime sau stâlpul seif.

Poate că este dificil să apreciezi noțiunea gravitației în sine până nu vezi ce se întâmplă când influența sa este diminuată sau șters, cum ar fi atunci când urmăriți imagini ale astronauților pe o stație spațială care orbitează planeta departe de fața Pământului suprafaţă. Și, într-adevăr, fizicienii nu prea au idee despre ceea ce „provoacă” gravitația, mai mult decât pot spune oricui dintre noi de ce există universul în primul rând. Cu toate acestea, fizicienii au produs ecuații care descriu ceea ce face gravitația în mod excepțional, nu doar pe Pământ, ci în întregul cosmos.

Cu peste 2.000 de ani în urmă, vechii gânditori greci au venit cu o mulțime de idei care au rezistat în mare măsură testului timpului și au supraviețuit până la modernitate. Ei au discernut că obiecte îndepărtate, cum ar fi planete și stele (adevăratele distanțe față de Pământ, de care, desigur, observatorii nu aveau cale de a cunoaște) erau, de fapt, legate fizic între ele, în ciuda faptului că nu aveau nimic asemănător cablurilor sau cablurilor care le conectau împreună. Lipsind alte teorii, grecii au propus ca mișcările soarelui, lunii, stelelor și planetelor să fie dictate de capriciile zeilor. (De fapt, toate planetele știu că în acele zile au fost numite după zei.) Deși această teorie era îngrijită și decisivă, ea nu a fost testabil și, prin urmare, nu a fost altceva decât un substitut pentru o mai satisfăcătoare și mai riguroasă din punct de vedere științific explicaţie.

Abia cu aproximativ 300 până la 400 de ani în urmă, astronomii precum Tycho Brahe și Galileo Galilei au recunoscut că, contrar celor biblice învățături vechi de aproape 15 secole, Pământul și planetele se învârteau în jurul Soarelui, mai degrabă decât Pământul fiind în centrul univers. Acest lucru a deschis calea explorărilor gravitaționale așa cum este înțeles în prezent.

O modalitate de a gândi la atracția gravitațională dintre obiecte, exprimată de regretatul fizician teoretic Jacob Bekenstein într-un eseu pentru CalTech, este la fel de „forțe cu rază lungă de acțiune pe care corpurile neutre din punct de vedere electric le exercită unul pe altul datorită conținutului lor de materie”. Acesta este, în timp ce obiectele pot experimenta o forță ca urmare a diferențelor de sarcină electrostatică, gravitația are ca rezultat o forță din cauza masa. Din punct de vedere tehnic, dvs. și computerul, telefonul sau tableta pe care le citiți exercitați asupra forțelor gravitaționale unul cu celălalt, dar dvs. și dispozitivul dvs. conectat la Internet sunteți atât de mici încât această forță este practic nedetectabil. Evident, pentru obiectele de la scară de planete, stele, galaxii întregi și chiar grupuri de galaxii, este o poveste diferită.

Isaac Newton (1642-1727), creditat ca fiind una dintre cele mai strălucite minți matematice din istorie și unul dintre co-inventatorii domeniului calculului, a propus că forța de greutate dintre două obiecte este direct proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre lor. Aceasta ia forma ecuației:

unde F_grav este forța gravitațională în newtoni, m₁ si m₂ sunt masele obiectelor în kilograme, r este distanța care separă obiectele în metri și valoarea constantei de proporționalitate G este 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²)/kg².

În timp ce această ecuație funcționează excelent în scopuri cotidiene, valoarea sa este diminuată atunci când obiectele din întrebările sunt relativiste, adică sunt descrise de mase și viteze mult în afara omului tipic experienţă. Aici intervine teoria gravitației a lui Einstein.

În 1905, Albert Einstein, al cărui nume este poate cel mai recunoscut din istoria științei și cel mai sinonim cu fapte la nivel de geniu, și-a publicat teoria specială a relativității. Printre alte efecte pe care acest lucru le-a avut asupra corpului de cunoștințe fizice existente, a pus sub semnul întrebării ipoteza încorporată în Newton conceptul de gravitație, care este acea gravitație care funcționează instantaneu între obiecte, indiferent de vastitatea lor separare. După calculele lui Einstein s-a stabilit că viteza luminii, 3 × 10⁸ m / s sau aproximativ 186.000 de mile pe secundă, a plasat o margine superioară cu privire la cât de repede ar putea fi propagat ceva prin spațiu, ideile lui Newton au părut brusc vulnerabile, cel puțin în anumite cazuri. Cu alte cuvinte, în timp ce teoria gravitațională newtoniană a continuat să funcționeze admirabil în aproape toate contextele imaginabile, în mod clar nu a fost o descriere universală adevărată a gravitației.

Einstein a petrecut următorii 10 ani formulând o altă teorie, una care ar reconcilia gravitaționalul de bază al lui Newton cadru cu limita superioară viteza luminii impusă, sau părea să impună, tuturor proceselor din univers. Rezultatul, pe care Einstein l-a introdus în 1915, a fost teoria generală a relativității. Triumful acestei teorii, care stă la baza tuturor teoriilor gravitaționale până în prezent, este că a încadrat conceptul de gravitație ca o manifestare a curburii spațiu-timp, nu ca o forță per se. Această idee nu era cu totul nouă; matematicianul Georg Bernhard Riemann produsese idei conexe în 1854. Dar Einstein transformase astfel teoria gravitațională din ceva înrădăcinat pur în forțe fizice într-un altul teoria bazată pe geometrie: a propus o a patra dimensiune de facto, timpul, pentru a însoți cele trei dimensiuni spațiale care erau deja familiar.

Una dintre implicațiile teoriei generale a relativității a lui Einstein este aceea că gravitația a funcționat independent de masă sau de compoziția fizică a obiectelor. Aceasta înseamnă că, printre altele, o ghiulea și o marmură căzute din vârful unui zgârie-nori vor cădea spre pământ la aceeași viteză, accelerată exact în aceeași măsură de forța gravitațională, în ciuda faptului că una este mult mai masivă decât cealaltă. (Este important de menționat, din motive de completitudine, că acest lucru este valabil din punct de vedere tehnic numai în vid, unde rezistența la aer nu este o problemă. O pană cade în mod clar mai lent decât o aruncare, dar în vid, acest lucru nu ar fi cazul.) Acest aspect al ideii lui Einstein a fost suficient de testabil. Dar ce zici de situațiile relativiste?

În iulie 2018, o echipă internațională de astronomi a încheiat un studiu al unui sistem cu trei stele, la 4.200 de ani lumină de Pământ. Un an lumină fiind distanța pe care o parcurge lumina într-un an (aproximativ șase trilioane de mile), aceasta înseamnă că astronomii de aici de pe Pământ au fost observarea fenomenelor revelatoare de lumină care s-au produs efectiv în aproximativ 2.200 î.e.n. Acest sistem neobișnuit constă din două stele mici, dense - una a „pulsar” care se rotește pe axa sa de 366 de ori pe secundă, iar celălalt o pitică albă - care se orbitează reciproc cu o perioadă remarcabil de scurtă de 1,6 zile. La rândul său, această pereche orbitează o stea pitică albă mai îndepărtată la fiecare 327 de zile. Pe scurt, singura descriere a gravitației care ar putea explica mișcările frenetice reciproce ale celor trei stele din aceasta un sistem extrem de neobișnuit a fost teoria generală a relativității a lui Einstein - iar ecuațiile, de fapt, se potrivesc situației perfect.