Kaj povzroča gravitacijo na Zemlji?

Večina ljudi, znanstveno usmerjenih ali drugače, ima vsaj nejasno predstavo, da je neka količina ali koncept, imenovan "gravitacija", tisto, kar drži predmete, vključno z njimi, privezane na Zemljo. Razumejo, da je to na splošno blagoslov, vendar v določenih situacijah manj - recimo, ko se usedete na vejo drevesa in malo niste prepričani, kako se nepoškodovani vrniti na tla ali ko poskušate postaviti nov osebni rekord v primeru, kot sta skok v višino ali palica trezor.

Morda je težko razumeti sam pojem gravitacije, dokler ne vidimo, kaj se zgodi, ko se njegov vpliv zmanjša ali izbrisani, na primer pri gledanju posnetkov astronavtov na vesoljski postaji, ki kroži okoli planeta daleč od Zemljine površino. In v resnici fiziki nimajo niti najmanjšega pojma o tem, kaj na koncu "povzroči" gravitacijo, prav tako kot lahko povedo kateremu koli od nas, zakaj sploh obstaja vesolje. Fiziki pa so izdelali enačbe, ki opisujejo, kaj gravitacija deluje izjemno dobro, ne samo na Zemlji, temveč v vesolju.

Pred več kot 2000 leti so starogrški misleci pripravili veliko idej, ki so v veliki meri zdržale preizkus časa in preživele do moderne. Ugotovili so, da oddaljeni predmeti, kot so planeti in zvezde (resnične oddaljenosti od Zemlje, od katerih opazovalci seveda niso mogli vedeti) so bili dejansko fizično vezani drug na drugega, čeprav verjetno niso imeli ničesar podobnega kablom ali vrvi skupaj. Ker drugih teorij ni bilo, so Grki predlagali, da gibanje sonca, lune, zvezd in planetov narekujejo muhe bogov. (Pravzaprav so vsi planeti vedeli, da so bili v tistih časih poimenovani po bogovih.) Čeprav je bila ta teorija čedna in odločna, je ni bil preizkušen in zato ni bil zgolj pripravljenost za bolj zadovoljivo in znanstveno strogo razlago.

Šele pred približno 300 do 400 leti so astronomi, kot sta Tycho Brahe in Galileo Galilei, v nasprotju s svetopisemskim učenja, stara skoraj 15 stoletij, so se Zemlja in planeti vrteli okoli sonca, namesto da bi bila Zemlja v središču vesolje. To je utrlo pot raziskovanju gravitacije, kot jo trenutno razumemo.

Eden od načinov razmišljanja o gravitacijski privlačnosti med predmeti, ki jo je izrazil pokojni teoretični fizik Jacob Bekenstein v esej za CalTech je "sile velikega dosega, ki jih električno nevtralna telesa izvajajo med seboj zaradi vsebnosti snovi." To je, medtem ko lahko predmeti doživljajo silo kot posledico razlik v elektrostatičnem naboju, gravitacija pa povzroči silo zaradi prosojnosti maso. Tehnično vi in ​​računalnik, telefon ali tablični računalnik, na katerem to berete, izvajate gravitacijske sile drug drugega, vendar ste vi in ​​vaša naprava, ki podpira internet, tako majhni, da je ta sila tako rekoč neopazno. Očitno je, da je za predmete na lestvici planetov, zvezd, celih galaksij in celo skupkov galaksij druga zgodba.

Isaac Newton (1642-1727), ki je zaslužen za enega najbolj briljantnih matematičnih umov v zgodovini in enega od izumiteljev področja računa, je predlagal da je sila teže med dvema predmetoma neposredno sorazmerna zmnožku njihovih mas in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njim. To je v obliki enačbe:

kjer je F_grav je gravitacijska sila v njutnih, m₁ in m₂ so mase predmetov v kilogramih, r razdalja, ki ločuje predmete v metrih, in vrednost konstante sorazmernosti G je 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Čeprav ta enačba deluje izvrstno za vsakodnevne namene, se njena vrednost zmanjša, ko so predmeti v njej Vprašanja so relativistična, torej jih množice in hitrosti opisujejo precej zunaj tipičnega človeka izkušnje. Tu nastopi Einsteinova teorija gravitacije.

Leta 1905 je Albert Einstein, čigar ime je morda najbolj prepoznavno v zgodovini znanosti in najbolj sinonim za podvige na ravni genija, objavil svojo posebno teorijo relativnosti. Med drugimi učinki, ki jih je to imelo na obstoječe znanje fizike, je postavilo pod vprašaj domnevo, vgrajeno v Newtonovo koncept gravitacije, ki pomeni, da je gravitacija dejansko delovala v trenutku med predmeti, ne glede na njihovo širino ločitev. Po Einsteinovih izračunih je bilo ugotovljeno, da je svetlobna hitrost 3 × 10⁸ m / s ali približno 186.000 milj na sekundo, je postavila zgornjo mejo, kako hitro se lahko kar koli širi skozi vesolje, Newtonove ideje so se nenadoma zdele ranljive, vsaj v nekaterih primerih. Z drugimi besedami, čeprav je Newtonova gravitacijska teorija še naprej čudovito delovala v skoraj vseh možnih okoliščinah, očitno ni bila splošno pravi opis gravitacije.

Naslednjih 10 let je Einstein porabil za oblikovanje druge teorije, ki bi uskladila Newtonovo osnovno gravitacijo z zgornjo mejo svetlobne hitrosti, ki je naložila ali se je zdelo, da nalaga vsem procesom v vesolju. Rezultat, ki ga je Einstein predstavil leta 1915, je bila splošna teorija relativnosti. Triumf te teorije, ki je osnova vseh gravitacijskih teorij do danes, je v tem koncept gravitacije je postavil kot manifestacijo ukrivljenosti prostora-časa, ne kot sile na se. Ta ideja ni bila povsem nova; matematik Georg Bernhard Riemann je leta 1854 ustvaril sorodne ideje. Toda Einstein je tako gravitacijsko teorijo iz nečesa, ki je zakoreninjena zgolj v fizičnih silah, preoblikoval v več teorija, ki temelji na geometriji: predlagala je dejansko četrto dimenzijo, čas, ki bo spremljala tri prostorske dimenzije, ki so bile že znano.

Ena od posledic Einsteinove splošne teorije relativnosti je, da gravitacija deluje neodvisno od mase ali fizične sestave predmetov. To pomeni, da bosta med drugim topovsko kroglo in marmor, ki sta padla z vrha nebotičnika, padla proti tlom na enako hitrost, ki jo v enaki meri pospeši sila teže, kljub temu da je ena veliko bolj masivna od druge. (Za popolnost je treba opozoriti, da to tehnično velja le v vakuumu, kjer zračni upor ni problem. Pero očitno pade počasneje kot suvanje krogle, vendar v vakuumu temu ne bi bilo tako.) Ta vidik Einsteinove ideje je bil dovolj preizkušljiv. Kaj pa relativistične situacije?

Julija 2018 je mednarodna skupina astronomov zaključila študijo sistema s tremi zvezdami, oddaljenega 4.200 svetlobnih let od Zemlje. Svetlobno leto je razdalja, ki jo svetloba prevozi v enem letu (približno šest bilijonov milj), to pomeni, da so bili astronomi tukaj na Zemlji opazovanje pojavov, ki razkrivajo svetlobo, ki so se dejansko zgodili okoli 2200 pr. Ta nenavaden sistem je sestavljen iz dveh drobnih, gostih zvezd - ene a "pulsar" se na svoji osi vrti 366-krat na sekundo, drugi pa bel pritlikavec - ki kroži med seboj v izjemno kratkem obdobju 1,6 dnevi. Ta par vsakih 327 dni kroži okoli bolj oddaljene bele pritlikave zvezde. Skratka, edini opis gravitacije, ki bi lahko upošteval medsebojno frenetično gibanje treh zvezd v tem zelo nenavaden sistem je bila Einsteinova splošna teorija relativnosti - in enačbe so dejansko ustrezale situaciji popolnoma.