Jedno prawdopodobnie naprawdę nie spadło na głowę Sir Isaaca Newtona w 1665 roku, strącając luźne oświecenie na temat natury spadających ciał. A skoro już przy tym jesteś, zapomnij, czego nauczyłeś się o grawitacji w szkole. To nie tak to naprawdę działa. Ale nie wierzcie nam na słowo. Niech główni pretendenci w historii teorii grawitacji sami się o to pokłócą.
Runda 1: Newton
„Grawitacja naprawdę istnieje”, stwierdził Newton w 1687 roku. „działa zgodnie z prawami, które wyjaśniliśmy, i służy do wyjaśnienia wszystkich ruchów ciał niebieskich”. Przed Newtonem nikt nie słyszał o grawitacji, nie mówiąc już o koncepcji uniwersalnego prawa.
Uniwersytet w Cambridge, gdzie Newton studiował, został zamknięty z powodu zarazy w 1665 roku. Znajdując wytchnienie w domu swojego dzieciństwa, 23-latek pogrążył się w miesiącach gorączkowej matematycznej burzy mózgów. To, plus podejrzane zejście jabłek do sadu, stworzyło podwaliny pod jego arcydzieło Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. W Principiach Newton opisał grawitację jako wszechobecną siłę, siłę przyciągania, którą wszystkie obiekty wywierają na pobliskie obiekty. Im większą masę ma dany obiekt, tym silniejsze jest jego przyciąganie. Zwiększanie odległości między dwoma obiektami osłabia przyciąganie.
Matematyczne wyjaśnienia tych zależności w Principiach były proste i niezwykle poręczne. Dzięki swoim równaniom Newton był w stanie po raz pierwszy wyjaśnić, dlaczego Księżyc pozostaje na orbicie wokół Ziemi. Do dziś używamy matematyki Newtona, aby przewidzieć trajektorię lotu piłki do softballa lub astronautów lądujących na Księżycu. W rzeczywistości wszystkie codzienne obserwacje grawitacji na Ziemi i w niebie mogą być wyjaśnione dość dokładnie za pomocą teorii Newtona.
Dobrze, kupujemy to. Ale jak to działa?
Witam?
Cisza z Newtonowskiego rogu ringu.
Prawda jest taka, że Newton potrafił opisać grawitację, ale nie wiedział, jak ona działa. „Grawitacja musi być spowodowana przez czynnik działający stale zgodnie z pewnymi prawami” – przyznał. „Ale to, czy ten czynnik jest materialny czy niematerialny, pozostawiłem do rozważenia moim czytelnikom.”
Przez 300 lat nikt tak naprawdę nie zastanawiał się, czym może być ten czynnik. Może każdy możliwy pretendent był zastraszony przez geniusz Newtona. Ten człowiek wymyślił rachunek, na litość boską.
Ding. Runda 2: Einstein
Najwyraźniej Albert Einstein nie był onieśmielony. Nawet przeprosił. „Newtonie, wybacz mi” – napisał w swoich wspomnieniach. „Znalazłeś jedyną drogę, która w twoim wieku była akurat możliwa dla człowieka o najwyższej myśli i mocy twórczej.”
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem
W 1915 roku, po ośmiu latach porządkowania swoich myśli, Einstein wymyślił (dosłownie – nie miał żadnych eksperymentalnych prekursorów) czynnik, który powodował grawitację. I nie była to zwykła siła. Według jego teorii ogólnej względności, grawitacja jest o wiele dziwniejsza: jest naturalną konsekwencją wpływu masy na przestrzeń.
Einstein zgodził się z Newtonem, że przestrzeń ma wymiary: szerokość, długość i wysokość. Przestrzeń może być wypełniona materią, albo nie. Ale Newton nie wierzył, że na przestrzeń wpływają znajdujące się w niej obiekty. Einstein wierzył. Stwierdził on, że masa może w znacznym stopniu zmieniać przestrzeń. Może ją wypaczyć, wygiąć, popchnąć lub pociągnąć. Grawitacja była tylko naturalnym wynikiem istnienia masy w przestrzeni (Einstein w swojej Szczególnej Teorii Względności z 1905 roku dodał czas jako czwarty wymiar do przestrzeni, nazywając ten wynik czasoprzestrzenią. Duże masy mogą również wypaczać czas, przyspieszając go lub spowalniając).
Możesz zwizualizować Einstein’owską osnowę grawitacyjną poprzez stąpanie na trampolinie. Twoja masa powoduje wgłębienie w rozciągliwej tkaninie przestrzeni. Tocz piłkę obok osnowy u twoich stóp, a ona zakrzywi się w kierunku twojej masy. Im jesteś cięższy, tym bardziej zaginasz przestrzeń. Spójrz na krawędzie trampoliny – osnowa zmniejsza się dalej od twojej masy. W ten sposób te same newtonowskie zależności są wyjaśniane (i przewidywane matematycznie z większą precyzją), ale przez inną soczewkę wypaczonej przestrzeni. Weź to, Newtonie, mówi Einstein. Z żalem.
Teoria Einsteina również triumfalnie wybiła dziurę w logice Newtona. Jeśli, jak twierdził Newton, grawitacja była stałą, natychmiastową siłą, to informacja o nagłej zmianie masy musiałaby zostać w jakiś sposób przekazana w całym wszechświecie naraz. Dla Einsteina nie miało to większego sensu. Zgodnie z jego rozumowaniem, gdyby Słońce nagle zniknęło, sygnał dla planet, aby przestały krążyć, musiałby logicznie zająć trochę czasu. I na pewno dotarcie do Plutona zajęłoby więcej czasu ni” Mars. Nic uniwersalnie natychmiastowego w tym wszystkim.
Co Einstein zaproponował jako brakujący środek komunikacji? Wprowadź, ponownie, jego bardzo użyteczny warp przestrzeni. Podobnie jak kamień wrzucony do stawu, zmiana masy spowoduje falowanie w przestrzeni, które rozchodzi się od źródła we wszystkich kierunkach z prędkością światła. W miarę przemieszczania się, falowanie to ściska i rozciąga przestrzeń. Nazywamy takie zaburzenie falą grawitacyjną.
Z tym ostatecznym ciosem Ogólna względność Einsteina wyjaśniała wszystko, co robiła teoria Newtona (i niektóre rzeczy, których nie robiła), a nawet lepiej. „Jestem w pełni usatysfakcjonowany” – powiedział Einstein w 1919 roku. „Nie wątpię już w poprawność całego systemu.”
W tej rundzie zwycięstwo dla Einsteina.
Ding. Runda 3: Następna fala
Einstein mógł przewidzieć fale grawitacyjne, ale nie wierzył, że naukowcy kiedykolwiek je wykryją. Fale grawitacyjne ściskają i rozciągają przestrzeń tylko w niewielkim stopniu. W rzeczywistości jest to śmiesznie, potwornie, niemal niemożliwie małe: odległość setki milionów razy mniejsza niż odległość atomu.
Do tej pory Einstein miał rację. Minęło osiem dekad od wprowadzenia przez niego ogólnej teorii względności, a fala grawitacyjna nie została jeszcze wykryta. Naukowcy zbliżyli się do tego dopiero w 1974 roku. W tym samym roku dwaj radioastronomowie, Joseph Taylor i Russell Hulse, analizowali parę gwiazd neutronowych (supergęstych zapadających się gwiazd), które krążą wokół siebie. Hulse i Taylor zdali sobie sprawę, że orbity przyspieszają w tempie, które zgodnie z przewidywaniami Einsteina wystąpiłoby, gdyby fale grawitacyjne rzeczywiście były generowane przez ten układ. Pierwsze pośrednie dowody fal grawitacyjnych były w, ale same fale nie zostały bezpośrednio zmierzone.
Ale każdy obiekt może generować fale grawitacyjne, tylko wyjątkowo masywne produkują wypaczenia przestrzeni wystarczająco duże, aby je zmierzyć. Takie gigantyczne zmiany masy występują tylko w przestrzeni kosmicznej, np. w orbitujących gwiazdach neutronowych, zderzających się czarnych dziurach lub supernowotworach. Naukowcy poszukują teraz fal pochodzących z tych źródeł za pomocą jednego z najbardziej precyzyjnych instrumentów naukowych, jakie kiedykolwiek stworzono: LIGO, Laserowego Interferometrycznego Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). LIGO jest gigantyczne, sprytne i dziwnie wyglądające, a jego opracowanie zajęło ponad 365 milionów dolarów i 30 lat. Jego zdolność do mierzenia nieskończenie małych odległości może pomóc umieścić „odkrycie” fal grawitacyjnych na pierwszej stronie każdej gazety w każdej chwili i zwiastować następną wielką rundę w naszym zrozumieniu grawitacji.
Powiązane linki
Elegancki Wszechświat NOVA
Linia czasowa historii grawitacji
Zobacz dokument Einsteina „Ogólna względność” i obraz warkocza kosmicznego
.
