Περιεχόμενο
- Μια σύντομη ιστορία της βαρύτητας
- Θεωρίες της Βαρύτητας
- Einsteins Γενική Θεωρία της Σχετικότητας
- Η βαρύτητα της γης και πέρα από αυτήν
Οι περισσότεροι άνθρωποι, με επιστημονικό προσανατολισμό ή με άλλο τρόπο, έχουν τουλάχιστον μια αόριστη ιδέα ότι κάποια ποσότητα ή έννοια που ονομάζεται "βαρύτητα" είναι αυτό που διατηρεί τα αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένου του εαυτού τους, προσδεδεμένα στη Γη. Καταλαβαίνουν ότι αυτή είναι μια γενική ευλογία, αλλά λιγότερο σε ορισμένες καταστάσεις - ας πούμε, όταν σκαρφαλώνουμε σε ένα δέντρο και λίγο σίγουροι για το πώς να επιστρέψουμε στο έδαφος χωρίς αλλοιώσεις ή όταν προσπαθούμε να ορίσουμε ένα νέο προσωπικό αρχείο σε μια συμβάν όπως το άλμα με υψηλό άλμα ή το θόλο του πόλου.
Είναι ίσως δύσκολο να εκτιμήσουμε την έννοια της βαρύτητας, μέχρι να δούμε τι συμβαίνει όταν η επιρροή της μειώνεται ή καταστρέφεται, όπως όταν παρακολουθείς αστροναύτες σε ένα διαστημικό σταθμό που περιστρέφεται γύρω από τον πλανήτη, μακριά από την επιφάνεια της Γης. Και στην πραγματικότητα, οι φυσικοί έχουν λίγη ιδέα για το τι τελικά "προκαλεί" τη βαρύτητα, και δεν μπορούν να πει σε κανέναν από μας γιατί το σύμπαν υπάρχει στην πρώτη θέση. Οι φυσικοί, ωστόσο, έχουν δημιουργήσει εξισώσεις που περιγράφουν τι είναι η βαρύτητα εξαιρετικά καλά, όχι μόνο στη Γη αλλά και σε ολόκληρο τον Κόσμο.
Μια σύντομη ιστορία της βαρύτητας
Πάνω από 2.000 χρόνια πριν, οι αρχαίοι Έλληνες στοχαστές ήρθαν με πολλές ιδέες που αντέχθηκαν σε μεγάλο βαθμό στη δοκιμασία του χρόνου και επέζησαν στη νεωτερικότητα. Διακρίνονταν ότι μακρινά αντικείμενα όπως οι πλανήτες και τα αστέρια (οι πραγματικές αποστάσεις από τη Γη, των οποίων φυσικά οι παρατηρητές δεν είχαν τρόπο να ξέρουν) ήταν στην πραγματικότητα σωματικά συνδεδεμένες μεταξύ τους παρά το γεγονός ότι δεν είχαν τίποτα σαν καλώδια ή σχοινιά που να τα συνδέουν μαζί. Απουσία άλλων θεωριών, οι Έλληνες πρότειναν ότι οι κινήσεις του ήλιου, του φεγγαριού, των αστεριών και των πλανητών υπαγορεύονταν από τις ιδιοτροπίες των θεών. (Στην πραγματικότητα, όλοι οι πλανήτες ξέρουν εκείνες τις εποχές πήραν το όνομά τους από τους θεούς.) Ενώ αυτή η θεωρία ήταν τακτοποιημένη και αποφασιστική, δεν ήταν δοκιμαστέα και επομένως δεν ήταν παρά μια στάση για μια πιο ικανοποιητική και επιστημονικά αυστηρή εξήγηση.
Δεν ήταν πριν από περίπου 300 έως 400 χρόνια που οι αστρονόμοι όπως ο Tycho Brahe και ο Galileo Galilei αναγνώρισαν ότι, αντίθετα με τις βιβλικές διδασκαλίες, τότε κοντά σε 15 αιώνες, η Γη και οι πλανήτες περιστρέφονταν γύρω από τον ήλιο και όχι η Γη κέντρο του σύμπαντος. Αυτό άνοιξε το δρόμο για τις εξερευνήσεις της βαρύτητας όπως γίνεται σήμερα κατανοητό.
Θεωρίες της Βαρύτητας
Ένας τρόπος να σκεφτούμε τη βαρυτική έλξη μεταξύ αντικειμένων, που εκφράζεται από τον πρόσφατο θεωρητικό φυσικό Jacob Bekenstein σε ένα δοκίμιο για το CalTech, είναι "δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας που τα ηλεκτρικά ουδέτερα σώματα ασκούν το ένα το άλλο λόγω του περιεχομένου τους". Δηλαδή, ενώ τα αντικείμενα μπορεί να βιώσουν μια δύναμη ως αποτέλεσμα των διαφορών στο ηλεκτροστατικό φορτίο, η βαρύτητα παράγει μια δύναμη λόγω μάζας. Από τεχνικής απόψεως, εσείς και ο υπολογιστής, το τηλέφωνο ή το tablet που διαβάζετε αυτό, ασκείτε βαρυτικές δυνάμεις ο ένας στον άλλο, αλλά εσείς και η συσκευή με δυνατότητα Internet σας είναι τόσο μικρές ώστε αυτή η δύναμη είναι ουσιαστικά μη ανιχνεύσιμη. Προφανώς, για αντικείμενα στην κλίμακα πλανητών, αστεριών, ολόκληρων γαλαξιών και ακόμη και συστάδων γαλαξιών, είναι μια διαφορετική ιστορία.
Ο Isaac Newton (1642-1727), που αποδίδεται ως ένα από τα πιο λαμπρά μαθηματικά μυαλά στην ιστορία και ένας από τους συν-εφευρέτες του πεδίου του λογισμικού, πρότεινε ότι η δύναμη βαρύτητας μεταξύ δύο αντικειμένων είναι άμεσα ανάλογη με το προϊόν του μάζες και αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους. Αυτό παίρνει τη μορφή της εξίσωσης:
φάσοβαρή = (G × m1 × m2) / r2
όπου Fσοβαρή είναι η βαρυτική δύναμη σε Newton, m1 και m2 είναι οι μάζες των αντικειμένων σε χιλιόγραμμα, r είναι η απόσταση που χωρίζει τα αντικείμενα σε μέτρα και η τιμή της σταθεράς αναλογίας G είναι 6,67 × 10-11 (N ∙ m2)/κιλό2.
Ενώ αυτή η εξίσωση λειτουργεί εξαιρετικά για καθημερινούς σκοπούς, η αξία της μειώνεται όταν τα σχετικά αντικείμενα είναι σχετικιστικά, δηλαδή περιγράφονται από τις μάζες και τις ταχύτητες πολύ έξω από την τυπική ανθρώπινη εμπειρία. Εδώ μπαίνει η θεωρία της βαρύτητας Einsteins.
Einsteins Γενική Θεωρία της Σχετικότητας
Το 1905, ο Albert Einstein, το όνομα του οποίου είναι ίσως ο πιο αναγνωρίσιμος στην ιστορία της επιστήμης και το πιο συνώνυμο των επιπέδων ιδιοφυΐας, δημοσίευσε την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Μεταξύ των άλλων επιπτώσεων που είχε στο υπάρχον σώμα της φυσικής γνώσης, έθεσε υπό αμφισβήτηση την υπόθεση που ενσωματώνεται στην έννοια του Νεύτωνα της βαρύτητας, η οποία είναι ότι η βαρύτητα στην πράξη λειτουργεί στιγμιαία μεταξύ των αντικειμένων ανεξάρτητα από την τεράστια απόσταση του χωρισμού τους. Μετά από τους υπολογισμούς του Einsteins διαπιστώθηκε ότι η ταχύτητα του φωτός, 3 × 108 m / s ή περίπου 186.000 μίλια ανά δευτερόλεπτο, έβαλε ένα ανώτερο όριο για το πόσο γρήγορα θα μπορούσε να διαδοθεί οτιδήποτε μέσω του διαστήματος, οι ιδέες του Νεύτωνα φάνηκαν ξαφνικά ευάλωτες, τουλάχιστον σε ορισμένες περιπτώσεις. Με άλλα λόγια, ενώ η Νευτώνεια βαρυτική θεωρία συνέχισε να εκτελεί αξιοθαύμαστα σχεδόν όλα τα φανταστικά μειονεκτήματα, σαφώς δεν ήταν μια καθολικά αληθινή περιγραφή της βαρύτητας.
Ο Αϊνστάιν πέρασε τα επόμενα 10 χρόνια διατυπώνοντας μια άλλη θεωρία, η οποία θα συμβιβάσει το βασικό βαρυτικό πλαίσιο του Newton με το ανώτερο όριο της ταχύτητας του φωτός που επιβλήθηκε ή φαίνεται να επιβάλλει σε όλες τις διαδικασίες του σύμπαντος. Το αποτέλεσμα, το οποίο ο Αϊνστάιν εισήγαγε το 1915, ήταν η γενική θεωρία της σχετικότητας. Ο θρίαμβος αυτής της θεωρίας, που αποτελεί τη βάση όλων των θεωριών βαρύτητας μέχρι σήμερα, είναι ότι πλαισιώνει την έννοια της βαρύτητας ως εκδήλωση της καμπυλότητας του χωροχρόνου και όχι ως δύναμη καθαυτή. Αυτή η ιδέα δεν ήταν εντελώς νέα. ο μαθηματικός Georg Bernhard Riemann είχε παραγάγει σχετικές ιδέες το 1854. Όμως ο Αϊνστάιν είχε μετατρέψει έτσι τη θεωρία της βαρύτητας από κάτι που είχε ριζώσει απλώς σε φυσικές δυνάμεις σε μια θεωρία με βάση τη γεωμετρία: πρότεινε μια τέταρτη τέταρτη διάσταση, τον χρόνο, να συνοδεύει τις τρεις χωρικές διαστάσεις που ήταν ήδη εξοικειωμένοι.
Η βαρύτητα της γης και πέρα από αυτήν
Μια από τις συνέπειες της γενικής θεωρίας της σχετικότητας της Einstein είναι ότι η βαρύτητα λειτουργεί ανεξάρτητα από τη μάζα ή τη φυσική σύνθεση των αντικειμένων. Αυτό σημαίνει ότι, μεταξύ άλλων, ένα πυροβόλο όπλο και ένα μάρμαρο που πέφτει από την κορυφή ενός ουρανοξύστη θα πέσουν προς το έδαφος με την ίδια ταχύτητα, επιταχύνονται ακριβώς στην ίδια έκταση με τη δύναμη της βαρύτητας παρά το γεγονός ότι είναι πολύ πιο μαζική από την άλλη . (Είναι σημαντικό να σημειωθεί για λόγους πληρότητας ότι αυτό είναι τεχνικά αληθές μόνο σε ένα κενό, όπου η αντίσταση στην ατμόσφαιρα δεν είναι ένα ζήτημα.) Ένα φτερό σαφώς πέφτει πιο αργά από ένα βολές, αλλά σε ένα κενό αυτό δεν θα συνέβαινε . Αυτή η πτυχή της ιδέας του Einstein ήταν αρκετά δοκιμαστική. Αλλά τι γίνεται με τις σχετικιστικές καταστάσεις;
Τον Ιούλιο του 2018, μια διεθνής ομάδα αστρονόμων ολοκλήρωσε μια μελέτη ενός συστήματος τριπλού αστέρα 4.200 έτη φωτός από τη Γη. Ένα έτος φωτός που ταξιδεύει το φως απόστασης σε ένα χρόνο (περίπου έξι τρισεκατομμύρια μίλια), αυτό σημαίνει ότι οι αστρονόμοι εδώ στη Γη παρατηρούσαν φαινομενικά φαινόμενα που έδειχναν το φως που συνέβησαν σε περίπου 2.200 π.Χ. Αυτό το ασυνήθιστο σύστημα αποτελείται από δύο μικροσκοπικά, πυκνά αστέρια - ένα "pulsar" που περιστρέφεται στον άξονά του 366 φορές το δευτερόλεπτο και το άλλο ένα λευκό νάνο - που τροχίζουν ο ένας τον άλλον με μια αξιοσημείωτα σύντομη περίοδο 1,6 ημερών. Αυτό το ζευγάρι με τη σειρά του περιστρέφεται γύρω από ένα απομακρυσμένο άσπρο νάνο αστέρι κάθε 327 ημέρες. Εν ολίγοις, η μόνη περιγραφή της βαρύτητας που μπορούσε να εξηγήσει τις αμοιβαίες φρενήρεις κινήσεις των τριών αστεριών σε αυτό το εξαιρετικά ασυνήθιστο σύστημα ήταν η γενική θεωρία της σχετικότητας της Einstein - και οι εξισώσεις στην πραγματικότητα ταιριάζουν τέλεια την κατάσταση.