Isaac Newton a descris în anul 1687 efectele gravitației, însă nu a propus și un mecanism care să explice cum funcționează. Avea să mai treacă ceva timp până să se nască omul care avea să ne schimbe felul în care înțelegem gravitația.
În anul 1915 Albert Einstein a venit cu ideea că obiectele masive curbează spațiul-timpul. În teoria relativității generale, Einstein nu descrie gravitația ca o forță, ci ca o consecință a curburii spațiu-timpului cauzată de distribuția inegală a masei / energiei. Această curbură a spațiu-timpului dictează mișcarea materiei în univers, iar corpurile masive aflate în accelerare produc ondulații ale continuului spațiu-timp numite unde gravitaționale.
Teoria relativității generale a condus la o serie de predicții care au susținut verificarea experimentală. O predicție a acestei teorii este că undele gravitaționale sunt prezente peste tot în univers, dar Einstein credea că sunt prea mici pentru a putea fi detectate. Abia în anul 2016 undele gravitaționale au fost descoperite experimental, iar acest lucru ne oferă o nouă metodă de explorare a universului.
În forma curentă, teoria relativității generale este incompatibilă cu mecanica cuantică – iar asta poate fi un semn că ne așteaptă în curând o schimbare majoră în felul cum înțelegem universul.
Efectele gravitației
Gândește-te pentru un moment la efectul gravitației asupra corpului tău. Dacă ridici o mână simți efectul gravitației; gravitația este mereu pretutindeni – este stabilă, permanentă și neschimbată. Sau nu este așa?
Timp de sute de ani am putut anticipa efectele gravitației dar nu aveam nicio idee despre cum funcționează până când Einstein a schițat o imagine ciudată și neintuitivă a gravitației. În opinia lui Einstein, gravitația este departe de a fi o „forță” statică, constantă – ci este o parte fundamentală a universului care curbează spațiul-timpul în timp ce obiectele masive se mișcă prin el.
Predicțiile teoriilor lui Einstein au fost validate de nenumărate ori, iar acum, la 100 de ani de la formularea teoriei relativității, a fost validată o altă predicție: existența undelor gravitaționale.
Undele gravitaționale au fost descoperite în ciuda convingerii sale că vom putea vreodată să detectăm aceste unde.
Pentru a înțelege mai bine gravitația, să ne întoarcem puțin la Isaac Newton și la primele legi ale gravitației.
Newton – primele legi ale gravitației
Newton a publicat în anul 1687 una dintre cele mai celebre lucrări științifice numită „Principia”. În această lucrare Newton a descris că forța care trage obiectele în jos spre pământ este aceeași forță care se află și în spatele mișcării planetelor și stelelor.
Pentru a ajunge la această concluzie, Newton și-a imaginat că ia un obiect și îl aruncă departe în sus. Dacă îl arunca cu un impuls prea mic, cădea înapoi pe Pământ, prins de gravitație precum suntem și noi. Dacă îl arunca cu un impuls prea mare, se va îndepărta de Pământ și va ajunge în spațiu unde-și va începe călătoria cosmică fără a se mai întoarce pe Pământ. Dar cu impulsul potrivit, poate fi aruncat pe orbită astfel încât să cadă continuu în jurul Pământului, rămânând legat de planetă precum o remorcă.
La o altitudine și o viteză potrivită, obiectul este acum pe orbită în jurul Pământului – la fel ca Luna, sau ca Pământul în jurul Soarelui.
Newton a formulat această perspectivă într-o ecuație matematică, cunoscută astăzi drept legea gravitației universale. Când este combinată cu geometria și alte ecuații de mișcare ale sale, o putem folosi pentru a face predicții despre mișcarea planetelor, despre căile cometelor sau despre câtă forță este necesară pentru a trimite o rachetă pe Lună.
Newton nu este cunoscut doar pentru ideea sa, ci pentru că a formulat acea idee într-o ecuație care a făcut posibil predicții cu o precizie mai mare ca oricând. Cu toate acestea, ecuațiile lui Newton au produs preziceri incorecte și, cel mai important, nu a descris modul în care funcționează gravitația. Newton era conștient de acest lucru când a spus:
„Gravitația trebuie să fie cauzată de un agent care acționează în mod constant în conformitate cu anumite legi; dar dacă acest agent este material sau imaterial, am lăsat în seama cititorilor mei.”
Distorsiuni ale spațiu-timpului
Timp de mai bine de 200 de ani de la publicarea lucrării „Principia”, lumea nu înțelegea mecanismul gravitației. Asta până când s-a născut Albert Einstein – un om care avea să schimbe lumea în multe feluri. Dar înainte de a ajunge la munca sa, va trebui să mai facem un mic ocol.
În anul 1632, înainte ca Newton să publice lucrarea, Galileo Galilei a scris despre mișcarea relativă a obiectelor familiare în perioada sa: vapoarele.
Dacă te afli într-o cameră închisă pe o navă care navighează cu o viteză constantă și marea este perfect liniștită, obiectele din cameră se comportă la fel ca pe uscat. Nu există un experiment fizic pe care să-l poți face pentru a spune dacă te miști sau staționezi (presupunând că nu privești pe fereastră și nu ai nici GPS). Aceasta este ideea principală din spatele relativității și este același motiv pentru care nu simțim mișcarea planetei noastre în jurul soarelui sau mișcarea sistemului nostru solar prin galaxie.
Spațiul și timpul sunt legate
După aproape 300 de ani după Galileo, Einstein a realizat consecințele relativității în contextul unui factor important: viteza luminii. Nu era singurul care se gândea la aceste subiecte – dar alți fizicieni erau la acea vreme conștienți de faptul că erau întrebări fără răspuns.
Einstein a formulat o teorie (teoria relativității restrânse) pentru a explica fenomenele existente și pentru a crea noi predicții. La început, relativitatea restrânsă nu părea să aibă prea mult de-a face cu gravitația, dar a fost o cărămidă esențială pentru Einstein pentru înțelegerea gravitației.
Ceasurile în mișcare se mișcă mai greu
Experimentele din vremea lui Einstein au arătat că viteza luminii este constantă. Indiferent cât de repede ai încerca să o prinzi, ea se va îndepărta de tine cu aproape 300.000.000 metri pe secundă. De ce este acest aspect important? Ei bine, să ne imaginăm construirea unui ceas folosind lumina. Două oglinzi sunt poziționate față în față, una cu fața în sus și alta în jos, iar o bătaie a ceasului reprezintă timpul cât îi ia unei particule de lumină să călătorească până la cealaltă oglindă și înapoi.
Acum să ne imaginăm un astronaut, care se află pe o navă spațială ce trece pe lângă Pământ, că are și el un astfel de ceas. Pentru astronaut, ceasul pare să funcționeze normal – particulele de lumină călătoresc între cele două oglinzi în sus și în jos iar timpul se desfășoară în mod obișnuit. Dar din punctul tău de vedere, uitându-te la trecerea navei, lumina se mișcă atât în sus cât și în jos, cât și în lateral o dată cu nava. Lumina călătorește mai mult cu fiecare bătaie.
Dacă pentru astronaut lumina călătorește cu 300.000.000 m / s, dar trebuie să călătorească doar în sus și în jos; iar pentru tine lumina călătorește tot cu aceeași viteză, dar efectuează o distanță mai mare (pe diagonală, pentru că nava se află în mișcare), perioada bătăii ceasului este mai mare. Acest efect se numește dilatarea timpului. Cu cât călătorim cu o viteză mai mare prin spațiu, cu atât mai lent călătorim prin timp.
Perspectiva contează
Dar al cărui timp este într-adevăr încetinit? Al tău, pe Pământ, sau al astronautului? În mod ciudat, ambele sunt valide – dar numai în timp ce ambele sunt în mișcare constantă.
Pentru a ilustra acest aspect, să presupunem că atunci când astronautul a părăsit Pământul, atât observatorul de pe Pământ cât și astronautul aveau aceeași vârstă. Când pleacă, nava spațială accelerează îndepărtându-se de Pământ. Când se întoarce, nava încetinește pentru a putea ateriza. Și la plecare și la întoarcere, astronautul poate simții accelerația și încetinirea. Experimentele efectuate în interiorul navei spațiale în timpul accelerației și a decelerării ar arăta că nava își schimbă sistemul de referință. În fizică, sistemul de referință descrie mișcarea, fiind reperul în raport cu care se descrie mișcarea sau repausul. O persoană care călătorește într-o mașină se află într-un cadru de referință diferit decât cineva care călătorește într-o mașină cu o viteză sau o direcție diferită.
Asta distruge simetria, iar când nava spațială se întoarce pe Pământ, astronautul va fi cu adevărat mai tânăr decât observatorul de pe Pământ. Efectele sunt perceptibile doar dacă călătorește cu adevărat, foarte, foarte repede.
Cele patru dimensiuni ale spațiu-timpului
În urma teoriilor menționate mai sus, nu ne mai putem gândi la trei dimensiuni ale spațiului plus una distinctă a timpului, ci putem considera spațiul-timpul ca o singură dimensiune. Cu cât călătorim mai repede prin spațiu, cu atât ne deplasăm mai lent în timp și invers.
O altă consecință a relativității restrânse este aceea că obiectele care se mișcă cu o viteză mare par să se contracte în dimensiune, în direcția mișcării lor.
Acest lucru rezultă din distorsionarea timpului – contracția lungimii este un fizic real și nu doar un rezultat al măsurătorilor imprecise. Spre deosebire de diferențele de vârstă care pot apărea din timpul dilatării timpului, nu există efecte secundare datorate contracției lungimii odată ce obiectul aflat în mișcare se oprește sau ajunge la aceeași viteză cu observatorul.
Descrierea lui Einstein a gravitației a dus la situații bizare precum relativitatea specială – asta include și călătoriile în timp (dacă se poate numi așa)!
Accelerația și gravitația sunt de nedistins
Imaginează-ți că te trezești într-o navă spațială, accelerând spre spațiu. Vei fi împins așa cum suntem în scaunul unei mașini atunci când accelerează. Efectul este același ca și pe Pământ. Simțim forța accelerației așa cum simțim și forța gravitației.
Există un experiment fizic pe care l-am putea face în limitele navei pentru a spune dacă într-adevăr am accelerat prin spațiu (presupunând că nu avem ferestre prin care să privim) sau dacă, am fi într-o navă spațială staționară pe Pământ? Einstein a spus nu – așa cum Galileo și-a imaginat imposibilitatea de a distinge între o persoană în interiorul unui vapor și o persoană pe uscat, Einstein și-a dat seama că efectele accelerației și ale gravitației nu puteau fi distinse. Acestea se numește principiul echivalenței.
Spațiul se curbează la accelerare
Odată ce Einstein a formulat principiul echivalenței, gravitația a devenit mai puțin misterioasă. A putut să aplice cunoștințele de accelerare pentru a înțelege mai bine gravitația.
S-ar putea să știi că accelerația nu înseamnă întotdeauna o schimbare a vitezei, ca atunci când acceleram într-o mașină, împingându-te în scaun. De asemenea, poate însemna o schimbare în direcție, precum în cazul în care trecem prin-trun un sens giratoriu, determinându-ne să ne aplecăm spre partea laterală a mașinii.
Gravitația este curbarea spațiu-timpului
Principiul echivalenței ne spune că efectele gravitației și ale accelerației sunt de nedistins, însă mișcarea accelerată poate curba spațiul-timpul. Aici Einstein a ajuns la concluzia că gravitația este de fapt curbura a spațiu-timpului. Gravitația este cauzată de corpuri masive care determină calea pe care obiectele din jur călătoresc, iar această curbură a spațiu-timpului este dinamică, mișcându-se o dată cu aceste obiecte.
Teoria relativității generale prezice totul, de la orbitele stelelor până la ciocnirea asteroizilor.
Spațiu-timpul prinde masa, spunându-i cum să se miște – masa prinde spațiu-timpul, spunându-i cum să se curbeze (John Wheeler).
Predicțiile lui Einstein, oricât ar fi de ciudate și neintuitive, au trecut testul timpului și au fost validate de nenumărate ori.
Bibliografie:
http://www.einstein-online.info
http://curious.astro.cornell.edu
https://www.science.org.au
http://web.hep.uiuc.edu
