Шта узрокује гравитацију на Земљи?

Већина људи, научно оријентисаних или на неки други начин, имају барем нејасну представу да је нека величина или концепт назван „гравитација“ оно што држи предмете, укључујући и њих саме, привезане за Земљу. Они схватају да је ово благослов уопште, али мање у одређеним ситуацијама - рецимо, када се нађу на грани дрвета и мало нисте сигурни како да се вратите на земљу неозлеђени или када покушавате да поставите нови лични рекорд у случају као што су скок у вис или штап свод.

Можда је тешко ценити сам појам гравитације док се не види шта се дешава када се његов утицај смањи или избрисани, на пример када гледате снимке астронаута на свемирској станици која кружи око планете далеко од Земљине површина. И у ствари, физичари немају појма шта на крају „узрокује“ гравитацију, више него што могу било коме од нас да кажу зашто универзум уопште постоји. Физичари су, међутим, створили једначине које описују шта гравитација изузетно добро ради, не само на Земљи већ у читавом космосу.

Пре више од 2000 година, древни грчки мислиоци су изнијели пуно идеја које су у великој мјери издржале тест времена и преживјеле до модерности. Увидели су да су удаљени објекти попут планета и звезда (праве удаљености од Земље од којих, посматрачи, наравно, никако нису могли сазнања) у ствари били физички везани једни за друге, иако вероватно нису имали ништа попут каблова или ужади који их повезују заједно. У одсуству других теорија, Грци су предложили да су кретање сунца, месеца, звезда и планета диктирали хирови богова. (У ствари, све планете за које је познато да су у то време добивале имена по боговима.) Иако је ова теорија била уредна и одлучна, она је није могао да се тестира и стога није био ништа више од усвајања за задовољавајуће и научно ригорозније објашњење.

Тек пре отприлике 300 до 400 година астрономи као што су Тицхо Брахе и Галилео Галилеи то су препознали, супротно библијским учења стара око 15 векова, Земља и планете су се окретале око Сунца, уместо да је Земља била у центру универзум. Ово је отворило пут истраживањима гравитације како се тренутно схвата.

Један од начина размишљања о гравитационој привлачности између објеката, који је изразио покојни теоријски физичар Јацоб Бекенстеин у есеј за ЦалТецх је као „силе великог домета које електрично неутрална тела врше једно на друго због свог садржаја материје“. То је, док објекти могу искусити силу као резултат разлика у електростатичком наелектрисању, гравитација уместо тога резултира силом услед силине миса. Технички, ви и рачунар, телефон или таблет на којима ово читате вршите гравитационе силе међусобно, али ви и ваш уређај са омогућеном Интернетом сте толико мали да је та сила практично мала неоткривен. Очигледно је да је за објекте на скали планета, звезда, читавих галаксија, па чак и јата галаксија, друга прича.

Исаац Невтон (1642-1727), заслужан за једног од најсјајнијих математичких умова у историји и један од суизумитеља поља рачуна, предложио је да је сила гравитације између два предмета директно пропорционална умношку њихових маса и обрнуто пропорционална квадрату растојања између њих. Ово има облик једначине:

где је Ф._грав је гравитациона сила у њутнима, м₁ и М₂ су масе предмета у килограмима, р је растојање предмета у метрима и вредност константе пропорционалности Г је 6,67 × 10^-11 (Н ⋅ м²)/кг².

Иако ова једначина изврсно функционише у свакодневне сврхе, њена вредност се смањује када објекти уђу Питања су релативистичка, односно описана су масама и брзинама изван типичног човека искуство. Ту долази до Ајнштајнове теорије гравитације.

1905. године Алберт Ајнштајн, чије је име можда најпрепознатљивије у историји науке и најсинонимније за подвиге на нивоу генија, објавио је своју посебну теорију релативности. Између осталих ефеката које је ово имало на постојеће тело физичког знања, довело је у питање претпоставку уграђену у Њутново концепт гравитације, а то је да је гравитација у ствари деловала тренутно између објеката без обзира на њихову обимност раздвајање. Након што су Ајнштајнове калкулације утврдиле да је брзина светлости 3 × 10⁸ м / с или око 186.000 миља у секунди, поставили су горњу границу колико брзо се било шта може ширити кроз свемир, Њутнове идеје су изненада изгледале рањиве, барем у одређеним случајевима. Другим речима, иако је Њутнова гравитациона теорија наставила да се дивно изводи у готово свим замисливим контекстима, то очигледно није био универзално истинит опис гравитације.

Ајнштајн је провео наредних 10 година формулишући другу теорију, ону која би помирила Њутнову основну гравитацију горња граница брзине светлости наметнула је, или се чинило да намеће, све процесе у универзуму. Резултат који је Ајнштајн увео 1915. године била је општа теорија релативности. Тријумф ове теорије, која чини основу свих гравитационих теорија до данас, је тај поставила је концепт гравитације као манифестацију закривљености простора-времена, а не као силу по се. Ова идеја није била сасвим нова; математичар Георг Бернхард Риеманн дао је сродне идеје 1854. Али Ајнштајн је тако трансформисао гравитациону теорију из нечега укорењеног чисто у физичким силама у више теорија заснована на геометрији: Предложила је де фацто четврту димензију, време, која прати три просторне димензије које су биле већ познато.

Једна од импликација Ајнштајнове опште теорије релативности је да је гравитација деловала независно од масе или физичког састава предмета. То значи да ће, између осталог, топовска кугла и мермер испуштени са врха небодера пасти према земљи на исту брзину, убрзану у потпуно истој мери силом гравитације, упркос томе што је један далеко масивнији од другог. (Важно је напоменути да је то технички тачно само у вакууму, где отпор ваздуха није проблем. Очигледно је да перо пада спорије од бацања кугле, али у вакууму то не би био случај.) Овај аспект Ајнштајнове идеје био је довољно тестиран. Али шта је са релативистичким ситуацијама?

У јулу 2018. године, међународни тим астронома закључио је истраживање система троструких звезда удаљеног 4.200 светлосних година од Земље. Светлосна година је удаљеност коју светлост пређе за годину дана (око шест трилиона миља), то значи да су астрономи овде на Земљи били посматрајући појаве откривања светлости које су се заправо догодиле око 2200 п. Овај необични систем састоји се од две сићушне, густе звезде - једне а „пулсар“ се врти око своје осе 366 пута у секунди, а други бели патуљак - који кружи један око другог са изузетно кратким периодом од 1,6 дана. Овај пар заузврат кружи око удаљеније звезде белог патуљка сваких 327 дана. Укратко, једини опис гравитације који би могао објаснити узајамно френетично кретање три звезде у овоме крајње необичан систем била је Ајнштајнова општа теорија релативности - и једначине су у ствари одговарале ситуацији савршено.