Probabil că unul nu a căzut cu adevărat în capul lui Sir Isaac Newton în 1665, dând drumul la iluminarea despre natura căderii corpurilor. Și dacă tot ești aici, uită ce ai învățat la școală despre gravitație. Nu așa funcționează cu adevărat. Dar nu ne credeți pe cuvânt. Lăsați-i pe principalii competitori din istoria teoriei gravitaționale să se dueleze singuri.
Runda 1: Newton
„Gravitația chiar există”, a declarat Newton în 1687. ” acționează conform legilor pe care le-am explicat și servește din belșug pentru a explica toate mișcările corpurilor cerești.” Înainte de Newton, nimeni nu auzise de gravitație, cu atât mai puțin de conceptul de lege universală.
Universitatea Cambridge, unde a studiat Newton, a fost închisă din cauza ciumei în 1665. Găsind un răgaz în casa copilăriei sale, tânărul de 23 de ani s-a scufundat în luni de febrilă brainstorming matematic. Acest lucru, plus o coborâre dubioasă de mere în livada din spate, a pus bazele capodoperei sale Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. În Principia, Newton a descris gravitația ca fiind o forță mereu prezentă, o tracțiune pe care toate obiectele o exercită asupra obiectelor din apropiere. Cu cât un obiect are mai multă masă, cu atât mai puternică este atracția sa. Creșterea distanței dintre două obiecte slăbește atracția.
Explicațiile matematice din Principia ale acestor relații erau simple și extrem de la îndemână. Cu ajutorul ecuațiilor sale, Newton a reușit să explice pentru prima dată de ce Luna rămâne pe orbită în jurul Pământului. Până în prezent, folosim matematica lui Newton pentru a prezice traiectoria unei aruncări de minge de softball sau a astronauților care aterizează pe Lună. De fapt, toate observațiile de zi cu zi ale gravitației pe Pământ și în ceruri pot fi explicate destul de precis cu teoria lui Newton.
Ok, o credem. Dar cum funcționează?
Bună ziua?
Silence from Newton’s corner of the ring.
Adevărul este că Newton a putut descrie gravitația, dar nu știa cum funcționează. „Gravitația trebuie să fie cauzată de un agent care acționează constant în conformitate cu anumite legi”, a recunoscut el. „Dar dacă acest agent este material sau imaterial, am lăsat la aprecierea cititorilor mei.”
Timp de 300 de ani, nimeni nu s-a gândit cu adevărat care ar putea fi acel agent. Poate că orice posibil concurent a fost intimidat de geniul lui Newton. Omul a inventat calculul, de dragul lui Pete.
Ding. Runda 2: Einstein
Se pare că Albert Einstein nu a fost intimidat. El chiar și-a cerut scuze. „Newton, iartă-mă”, a scris el în memoriile sale. „Ai găsit singura cale care, la vârsta ta, era aproape posibilă pentru un om cu cea mai înaltă gândire și putere creatoare.”
© Arhivele Einstein Universitatea Ebraică din Ierusalim
În 1915, după opt ani de triere a gândurilor sale, Einstein a visat (la propriu – nu a avut precursori experimentali) un agent care să provoace gravitația. Și nu era pur și simplu o forță. Conform teoriei sale a Relativității Generale, gravitația este mult mai ciudată: o consecință naturală a influenței unei mase asupra spațiului.
Einstein a fost de acord cu Newton că spațiul are dimensiuni: lățime, lungime și înălțime. Spațiul ar putea fi umplut cu materie, sau nu. Dar Newton nu credea că spațiul era afectat de obiectele din el. Einstein a crezut. El a teoretizat că o masă poate face ca spațiul să se înmulțească. Îl poate deforma, îl poate îndoi, îl poate împinge sau îl poate trage. Gravitația era doar un rezultat natural al existenței unei mase în spațiu (Einstein a adăugat, în 1905, prin Teoria specială a relativității, timpul ca o a patra dimensiune a spațiului, numind rezultatul spațiu-timp. Masele mari pot, de asemenea, deforma timpul, accelerându-l sau încetinindu-l).
Puteți vizualiza deformarea gravitațională a lui Einstein pășind pe o trambulină. Masa ta provoacă o depresiune în țesătura elastică a spațiului. Rostogoliți o minge pe lângă deformarea de la picioarele dvs. și aceasta se va curba spre masa dvs. Cu cât ești mai greu, cu atât mai mult curbezi spațiul. Privește marginile trambulinei – urzeala se diminuează cu cât te îndepărtezi mai mult de masa ta. Astfel, aceleași relații newtoniene sunt explicate (și prezise matematic cu o precizie mai bună), dar printr-o lentilă diferită a spațiului deformat. Ia asta, Newton, spune Einstein. Cu regrete.
Teoria lui Einstein a făcut, de asemenea, o gaură triumfătoare în logica lui Newton. Dacă, așa cum susținea Newton, gravitația era o forță constantă și instantanee, informația despre o schimbare bruscă a masei ar fi trebuit să fie cumva comunicată în întregul univers deodată. Acest lucru nu prea avea sens pentru Einstein. Conform raționamentului său, dacă Soarele ar fi dispărut brusc, semnalul pentru ca planetele să nu mai orbiteze ar fi trebuit, în mod logic, să dureze ceva timp de călătorie. Și cu siguranță ar fi durat mai mult să ajungă la Pluto decât la Marte. Nimic universal instantaneu despre asta, deloc.
Ce a propus Einstein ca agent lipsă al comunicării? Intră, din nou, foarte utilul său warp spațial. La fel ca o piatră aruncată într-un iaz, o schimbare de masă va provoca o ondulație în spațiu care se va deplasa de la sursa sa în toate direcțiile cu viteza luminii. Pe măsură ce se deplasează, unda comprimă și întinde spațiul. Noi numim o astfel de perturbare o undă gravitațională.
Cu această lovitură finală, Relativitatea Generală a lui Einstein a explicat tot ceea ce a făcut teoria lui Newton (și unele lucruri pe care nu le-a explicat), și chiar mai bine. „Sunt pe deplin satisfăcut”, a spus Einstein în 1919. „Nu mă mai îndoiesc de corectitudinea întregului sistem.”
În această rundă, victorie pentru Einstein.
Ding. Runda 3: Următorul val
Einstein poate că a prezis undele gravitaționale, dar avea puțină încredere că oamenii de știință le vor detecta vreodată. Undele gravitaționale comprimă și întind spațiul doar într-o mică măsură. De fapt, este ridicol, îngrozitor de mică, aproape imposibil de mic: o distanță de sute de milioane de ori mai mică decât cea a unui atom.
Până acum, Einstein a avut dreptate. Au trecut opt decenii de când a introdus Relativitatea Generală, iar o undă gravitațională nu a fost încă detectată. Abia în 1974 oamenii de știință s-au apropiat. În acel an, doi radioastronomi, Joseph Taylor și Russell Hulse, analizau o pereche de stele neutronice (stele prăbușite superdense) care orbitează una în jurul celeilalte. Hulse și Taylor și-au dat seama că orbitele se accelerau cu o viteză pe care Einstein a prezis că ar fi trebuit să se producă dacă sistemul ar fi generat într-adevăr unde gravitaționale. Prima dovadă indirectă a undelor gravitaționale a fost în, dar undele în sine nu au fost măsurate direct.
Deși orice obiect poate genera unde gravitaționale, numai cele extrem de masive produc deformări ale spațiului suficient de mari pentru a fi măsurate. Astfel de schimbări gargantuesce de masă se găsesc doar în spațiu, cum ar fi stelele neutronice care orbitează, găurile negre care se ciocnesc sau supernovele. Cercetătorii caută acum undele emanate de aceste surse cu ajutorul unuia dintre cele mai precise instrumente științifice realizate vreodată: LIGO, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory. LIGO este gigantic, inteligent și ciudat și a necesitat peste 365 de milioane de dolari și 30 de ani pentru a fi dezvoltat. Capacitatea sa de a măsura distanțe infinitezimale ar putea contribui la plasarea în orice moment a „descoperirii” undelor gravitaționale pe prima pagină a fiecărui ziar și ar putea anunța următoarea mare rundă în înțelegerea noastră a gravitației.
Legături conexe
The Elegant Universe (Universul elegant) de laNOVA
Timeline of gravitational history
Vezi lucrarea lui Einstein despre relativitatea generală și o imagine a undelor spațiale
.
