Τι είναι η βαρύτητα; Ένας οδηγός για την πιο μυστηριώδη δύναμη της φύσης (και αυτό που ακόμα δεν γνωρίζουμε)
Χωρίς τη βαρύτητα, δεν θα υπήρχαμε. Παρέχει τη δύναμη που μας κρατά στην επιφάνεια της Γης και τη Γη σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο.
Είχε την ευθύνη για το σχηματισμό του Ηλιακού Συστήματος στην πρώτη θέση, και είναι η βαρυτική έλξη όλου του υλικού στον Ήλιο, που το τραβάει σφιχτά μεταξύ τους, που καθιστά δυνατή την πυρηνική σύντηξη να πραγματοποιηθεί, δίνοντάς μας θερμότητα και φως.
Ωστόσο, παρά την πανταχού παρουσία της, η βαρύτητα είναι μία από τις πιο μυστηριώδεις δυνάμεις στο Σύμπαν.
Τι είναι η βαρύτητα;
Ως μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης – μαζί με τον ηλεκτρομαγνητισμό και τις ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις – η βαρύτητα είναι ένα φυσικό φαινόμενο με τεράστια επιρροή.
Είναι μια ιδιότητα της ύλης, της ουσίας. Με λίγα λόγια:όλη η ύλη έλκεται από κάθε άλλη ύλη. Όσο περισσότερη ύλη υπάρχει και όσο πιο κοντά είναι τα αντικείμενα μεταξύ τους, τόσο μεγαλύτερη είναι αυτή η ελκτική δύναμη.
Και σε αντίθεση με τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, που μπορούν είτε να απωθήσουν είτε να προσελκύσουν, η βαρύτητα πάντα ενώνει τα πράγματα.
Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τη βαρύτητα:
- Η αναζήτηση για την κβαντική βαρύτητα:γιατί το να κάνεις λάθος είναι απαραίτητο για την επιστήμη
- Κάτι δεν πάει καλά με τη βαρύτητα
Τι ήταν η θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα;
Ο Νιούτον δήλωσε περίφημα ότι δεν είχε μια υπόθεση για το πώς λειτουργούσε η βαρύτητα.
Αντίθετα, η αφετηρία του για να το περιγράψει στην πράξη ήταν η ιδέα ότι η βαρύτητα ήταν καθολική – ότι το ίδιο πράγμα που έκανε ένα μήλο να πέσει από ένα δέντρο κρατούσε τη Σελήνη σε τροχιά.
Με αυτήν την ιδέα, μια συλλογή αστρονομικών δεδομένων και μερικά έξυπνα πειράματα σκέψης, ο Newton μπόρεσε να δείξει ότι μόνο τρία πράγματα επηρεάζουν τη βαρυτική έλξη μεταξύ δύο αντικειμένων:η μάζα κάθε αντικειμένου και η απόσταση μεταξύ τους.
Αν και δεν το έγραψε ποτέ με αυτή τη μορφή, η θεωρία του θα έδειχνε ότι η βαρυτική έλξη ακολουθεί έναν νόμο αντίστροφου τετραγώνου. Η έλξη της βαρύτητας μπορεί να υπολογιστεί πολλαπλασιάζοντας μαζί τις μάζες των δύο αντικειμένων και στη συνέχεια διαιρώντας με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους. Έτσι, η ελκτική δύναμη της βαρύτητας αυξάνεται όσο αυξάνεται η μάζα των αντικειμένων ή καθώς πλησιάζουν μεταξύ τους.
Αυτή η απλή σχέση ήταν αρκετή για να εξηγήσει σχεδόν όλη την κίνηση της Σελήνης και των πλανητών και θα ήταν ό,τι χρειαζόταν η NASA για να υπολογίσει μια ασφαλή τροχιά για την αποστολή Apollo στη Σελήνη.
Τι είναι η αρχή της ισοδυναμίας;
Η αρχή της ισοδυναμίας βασίζεται σε αυτό που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιέγραψε ως την "πιο ευτυχισμένη σκέψη".
Αυτό ήταν ότι «αν κάποιος πέσει ελεύθερα, δεν θα νιώσει το βάρος του». Με άλλα λόγια, η επιτάχυνση και η βαρύτητα είναι ακριβώς ισοδύναμες και δυσδιάκριτες.
Βλέπουμε αυτό να συμβαίνει στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Η έλξη της βαρύτητας στην τροχιακή απόσταση του σταθμού από τη Γη είναι περίπου το 90 τοις εκατό αυτής στην επιφάνεια – και ωστόσο, οι αστροναύτες επιπλέουν.
Ο λόγος που οι άνθρωποι επιπλέουν εκεί είναι επειδή πέφτουν συνεχώς προς το μέρος μας πλανήτης. Μπορεί να περιμένουμε να πέσουν στην επιφάνεια της Γης, αλλά κινούνται επίσης λοξά με τη σωστή ταχύτητα για να συνεχίσουν να λείπουν – αυτό σημαίνει ότι βρίσκεται σε τροχιά.
Η αρχή της ισοδυναμίας δείχνει ότι η επιτάχυνση, όπως συμβαίνει όταν ένα άτομο πέφτει, ακυρώνει το βάρος του. Ο Αϊνστάιν έκανε το άλμα από τη χαρούμενη σκέψη του για να προτείνει ότι η επιτάχυνση και η βαρύτητα είναι, στην πραγματικότητα, το ίδιο πράγμα.
Και αυτό ενέπνευσε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία προβλέπει τη δύναμη της βαρύτητας και εξηγεί πώς λειτουργεί.
Τι είναι η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν;
Από την αρχή της ισοδυναμίας του, ο Αϊνστάιν μπόρεσε να δείξει ότι τα σώματα με μάζα – οτιδήποτε από άτομο έως αστέρι – στρεβλώνουν τον χώρο και τον χρόνο.
Και αυτή η στρέβλωση ήταν που εξήγησε κάτι που ο Νεύτων δεν μπόρεσε ποτέ να δείξει:γιατί η βαρύτητα ήταν ικανή να λειτουργεί σε απόσταση.
Όπως μια μπάλα μπάσκετ σε ένα τραμπολίνο που περιβάλλεται από μάρμαρα, τα πιο ογκώδη αντικείμενα παράγουν μεγαλύτερα στημονιά στο ύφασμα του χωροχρόνου, τραβώντας τα κοντινά αντικείμενα και αναγκάζοντάς τα να κινούνται σε καμπύλες τροχιές. Αλλά ακόμη και μικρότερα σώματα έχουν μια επίδραση – ο καθένας μας ασκεί μια μικροσκοπική βαρυτική δύναμη στα αντικείμενα γύρω μας.
Επειδή ακολουθούσε μια πολύ διαφορετική προσέγγιση από τον Νεύτωνα, ο Αϊνστάιν έπρεπε να χρησιμοποιήσει ένα διαφορετικό είδος μαθηματικών, κάτι για το οποίο ο ίδιος αρχικά γνώριζε ελάχιστα:τα μαθηματικά του καμπύλου χώρου.
Και έπρεπε να λάβει υπόψη του διάφορα δευτερεύοντα αποτελέσματα για τα οποία ο Νεύτων δεν είχε κανένα λόγο να υποψιαστεί ότι υπήρχαν, όπως η εκπληκτική ανακάλυψη ότι η βαρύτητα έχει επίδραση στον εαυτό της.
Οι εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν κάνουν ό,τι κάνει η εξίσωση του Νεύτωνα, προβλέποντας το μέγεθος της ελκτικής δύναμης μεταξύ δύο σωμάτων, αλλά επειδή περιγράφουν τον τρόπο που οτιδήποτε με μάζα παραμορφώνει τον χώρο και τον χρόνο, μπορούν να κάνουν πολύ περισσότερα.
Ο Αϊνστάιν απέδειξε ότι ο Νεύτων έκανε λάθος;
Απολύτως όχι. Το έργο του Νεύτωνα ήταν περιγραφικό:προσάρμοσε μια απλή μαθηματική εξίσωση σε αυτό που παρατηρήθηκε.
Τα μαθηματικά του δεν μας λένε τίποτα για το πώς λειτουργεί η βαρύτητα, αλλά ως περιγραφή της συμπεριφοράς των καθημερινών πραγμάτων, λειτούργησε πολύ καλά – και εξακολουθεί να λειτουργεί.
Αυτό που έκανε ο Αϊνστάιν ήταν να μας βοηθήσει να καταλάβουμε τι προκαλεί τη δύναμη που περιγράφουμε ως βαρύτητα.
Μπόρεσε να δείξει ότι υπάρχουν ορισμένες περιστάσεις, συνήθως όπου η έλξη της βαρύτητας γίνεται πολύ ισχυρή, όπου η εξίσωση του Νεύτωνα δεν είναι αρκετά καλή προσέγγιση.
Σε αυτές τις περιπτώσεις, πρέπει να φέρουμε τον Αϊνστάιν για να έχουμε πιο ακριβή στοιχεία. Και ο Αϊνστάιν είναι επίσης χρήσιμος για να κάνει προβλέψεις που δεν θα μπορούσαν καν να προβλεφθούν σύμφωνα με τις βασικές λειτουργίες της φυσικής του Νεύτωνα.
Τι απόδειξη έχουμε για τη Γενική Σχετικότητα;
Υπάρχει τεράστιος όγκος στοιχείων για τη Γενική Σχετικότητα.
Πριν ο Αϊνστάιν καταλήξει στη θεωρία του, οι αστρονόμοι είχαν αγωνιστεί να εξηγήσουν μια πτυχή της τροχιάς του Ερμή που ονομάζεται μετάπτωση του, όπου το σημείο της πλησιέστερης προσέγγισής του στον Ήλιο αλλάζει σταδιακά θέση. Οι εξισώσεις του Νεύτωνα δεν μπορούσαν να εξηγήσουν το πλήρες αποτέλεσμα, αλλά το έργο του Αϊνστάιν το έκανε.
Επιπλέον, η ιδέα ότι η βαρύτητα προκλήθηκε από ένα στημόνι στο χώρο και τον χρόνο ήταν επίσης ελεγχόμενη, επειδή σήμαινε ότι (για παράδειγμα) το φως που περνούσε κοντά σε ένα σώμα με μεγάλη μάζα θα έπρεπε να ταξιδεύει σε καμπύλη γραμμή, που διέρχεται από τον στρεβλό χώρο που δημιουργεί το σώμα.
Αυτό παρατηρήθηκε για πρώτη φορά με φως που περνά κοντά στον Ήλιο κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης το 1919, και έκτοτε έχει παρατηρηθεί όταν οι μακρινοί γαλαξίες λειτουργούν σαν φακοί, λυγίζοντας το μονοπάτι του φωτός πίσω τους.
Μια άλλη από τις προβλέψεις των εξισώσεων του Αϊνστάιν είναι ότι η ύπαρξη κοντά σε ένα τεράστιο σώμα επιβραδύνει τον χρόνο:αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πρέπει να διορθώσουμε το σήμα από τους δορυφόρους GPS που μας δίνουν δορυφορική πλοήγηση.
Ομοίως, ένα πείραμα που ονομάζεται Gravity Probe B έδειξε ότι ένα περιστρεφόμενο σώμα μάζας σέρνει τον χωροχρόνο μαζί του σαν ένα περιστρεφόμενο κουτάλι σε μέλι, όπως ακριβώς είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν.
Τι σχέση έχει η βαρύτητα με τις μαύρες τρύπες;
Οι προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν είναι συνήθως το αποτέλεσμα της επίλυσης απλοποιημένων εκδόσεων των εξισώσεών του. Ένα από τα πρώτα περιέγραψε μια συμπιεσμένη μάζα όπου όλη η ύλη βρισκόταν σε ένα μόνο σημείο – μια «βαρυτική ιδιομορφία».
Αργότερα, έγινε αντιληπτό ότι ορισμένα γηρασμένα αστέρια δεν θα μπορούσαν να αντισταθούν στην έλξη της βαρύτητας και θα έπρεπε να καταρρεύσουν μέσα τους για να σχηματίσουν ένα τέτοιο σημείο, δημιουργώντας μια μαύρη τρύπα. Η βαρύτητα σε μια μαύρη τρύπα είναι τόσο ισχυρή που ούτε το φως μπορεί να διαφύγει.
Ομοίως, η Γενική Σχετικότητα προέβλεψε ότι ο ίδιος ο ιστός του Σύμπαντος θα μπορούσε να διασταλεί και σύμβαση. Σε συνδυασμό με παρατηρήσεις, αυτό έχει γίνει η βάση για την καλύτερη θεωρία μας για το πώς αναπτύχθηκε το Σύμπαν:το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης.
Είναι επίσης η Γενική Σχετικότητα που θα μπορούσε να ρίξει φως στη σκοτεινή ενέργεια – το μυστηριώδες φαινόμενο που φαίνεται να επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος.
Τι είναι τα βαρυτικά κύματα;
Ένα σώμα με μάζα παραμορφώνει τον χώρο και τον χρόνο, επομένως αν αυτό το σώμα επιταχύνει μέσα στο διάστημα, θα πρέπει να προκαλέσει κυματισμούς στον χωροχρόνο γύρω του.
Αυτοί οι κυματισμοί ονομάζονται βαρυτικά κύματα και κινούνται προς τα έξω, μάλλον όπως ο τρόπος με τον οποίο τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια πάνω και κάτω από μια κεραία παράγει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ραδιοφώνου και της τηλεόρασης.
Τα βαρυτικά κύματα, τα οποία ο Αϊνστάιν προέβλεψε λίγο μετά την ανάπτυξη της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, θα πρέπει να παράγονται συνεχώς από τεράστιους αριθμούς πηγών. Ωστόσο, η βαρύτητα είναι μια εξαιρετικά ασθενής δύναμη, πράγμα που σημαίνει ότι αυτά τα κύματα είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν.
Όταν το πείραμα LIGO παρατήρησε βαρυτικά κύματα για πρώτη φορά τον Σεπτέμβριο του 2015, ήταν το αποτέλεσμα μιας τεράστιας διαταραχής του χωροχρόνου που προκλήθηκε από δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται.
Οι ανιχνευτές του LIGO είναι τόσο ευαίσθητοι που πρέπει να εξαλειφθούν τυχόν δονήσεις, από διερχόμενα αυτοκίνητα μέχρι μακρινά κύματα που πέφτουν σε μια παραλία.
Τα βαρυτικά κύματα είναι σημαντικά όχι επειδή «αποδεικνύουν τη θεωρία του Αϊνστάιν» – έχουμε ήδη πολλές αποδείξεις γι’ αυτό – αλλά επειδή μας δίνουν έναν νέο τρόπο μελέτης του Σύμπαντος, κοιτάζοντας πίσω στα πρώτα του χρόνια που ούτε το φως μπορεί να φτάσει.
Η Γενική Σχετικότητα εξηγεί τα πάντα;
Σχεδόν σίγουρα όχι.
Η Γενική Σχετικότητα είναι εξαιρετικά αποτελεσματική και δεν κάνει λάθος όταν πρόκειται να κάνει προβλέψεις σχετικά με τη συμπεριφορά των καθημερινών αντικειμένων, αλλά υπάρχουν μερικές περιστάσεις – κυρίως στην καρδιά ενός μαύρου τρύπα ή στην περιγραφή του Σύμπαντος πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη – όπου καταρρέει η θεωρία.
Η φυσική του πολύ μικρού περιγράφεται με εντυπωσιακή ακρίβεια από την κβαντική φυσική, αλλά η Γενική Σχετικότητα και η κβαντική θεωρία είναι ασύμβατες. Όλες οι άλλες δυνάμεις της φύσης «κβαντίζονται» – έρχονται σε κομμάτια, αντί να μεταβάλλονται συνεχώς.
Η υπόθεση είναι ότι θα πρέπει να είναι δυνατό να αναπτυχθεί μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας που θα την φέρει σε ευθυγράμμιση με τις άλλες δυνάμεις και θα παράγει τα ίδια αποτελέσματα με τη θεωρία του Αϊνστάιν για μεγαλύτερα αντικείμενα.
Μέχρι στιγμής, οι καλύτερες προσπάθειες είναι η θεωρία χορδών/θεωρία Μ και η κβαντική βαρύτητα βρόχου, αλλά καμία από τις δύο δεν έχει παρουσιάσει ακόμη αξιοποιήσιμες προβλέψεις.
Μπορεί η βαρύτητα να προκαλείται από ένα υποατομικό σωματίδιο;
Είναι πολύ πιθανό και έχει ήδη ένα όνομα:το graviton. Ένας τρόπος με τον οποίο η κβαντική θεωρία αντιπροσωπεύει τη μετάδοση μιας δύναμης όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι ως ροή σωματιδίων που ονομάζονται «μποζόνια».
Στην περίπτωση του ηλεκτρομαγνητισμού, το σωματίδιο είναι το φωτόνιο. Κάθε σωματίδιο είναι ένα «κβάντο» – ένα κομμάτι – του κβαντισμένου φαινομένου.
Εάν λοιπόν η βαρύτητα είναι ένα κβαντικό φαινόμενο, υποθέτουμε ότι θα υπάρχει ένα βαρυτόνιο ως φορέας του. Ωστόσο, μην περιμένετε να εμφανιστεί κάποιος στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων σύντομα. Ένα γκραβιτόνιο είναι τόσο απίθανο να αλληλεπιδράσει με ένα άλλο σωματίδιο με ανιχνεύσιμο τρόπο που δεν υπάρχει επί του παρόντος ρεαλιστικά νοητό πείραμα που θα μπορούσε να εντοπίσει ένα.
Υπάρχει κάτι τέτοιο όπως αντιβαρύτητα;
Όχι ότι γνωρίζουμε. Σε αντίθεση με τον ηλεκτρομαγνητισμό, η βαρύτητα είναι ένα μονόδρομο φαινόμενο – απλώς έλκει. Μπορούμε να αντισταθμίσουμε τη βαρύτητα με άλλες δυνάμεις. το κάνετε αυτό κάθε φορά που σηκώνετε κάτι.
Φαίνεται ιδιαίτερα εντυπωσιακό όταν η αντίπαλη δύναμη είναι ο αόρατος ηλεκτρομαγνητισμός – όπως όταν κάτι επιπλέει πάνω από έναν μαγνήτη – αλλά δεν είναι η αντιβαρύτητα.
Ούτε γνωρίζουμε κανέναν τρόπο να προστατευτούμε από τη βαρύτητα:περνά από τα πάντα. Αν μπορούσαμε να σταματήσουμε τη βαρύτητα στα ίχνη της, θα μπορούσαμε να φτιάξουμε μια μηχανή αέναης κίνησης και να παράγουμε ελεύθερη ενέργεια. Χρωματίστε την ίδια πλευρά κάθε κουπί ενός υδροτροχού με την ουσία φραγμού.
Τα κουπιά στη μία πλευρά του τροχού θα έχουν τις γυμνές πλευρές τους στραμμένες προς τη Γη, επομένως θα αισθάνονται τη βαρυτική της έλξη, ενώ τα κουπιά στην άλλη πλευρά θα προστατεύονται από τη βαρύτητα. Έτσι, μόνο η μία πλευρά του τροχού θα τραβηχτεί προς τα κάτω και θα στρίβει για πάντα.
Η μοναδική πιθανότητα να ανακαλύψουμε την αντιβαρύτητα είναι ότι η αντιύλη μπορεί να απωθείται βαρυτικά από τη συνηθισμένη ύλη.
Οι επιστήμονες στο CERN θα έχουν σύντομα αρκετή αντιύλη για να το δοκιμάσουν, αλλά οι περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν ότι θα συμπεριφέρεται ακριβώς όπως τα κανονικά πράγματα.
Διαβάστε περισσότερα για την κοσμολογία:
- Τα δύο απλά στοιχεία που μας λένε πότε ξεκίνησε το Σύμπαν
- Το σύμπαν μας μπορεί να έχει μια πέμπτη διάσταση που θα άλλαζε όλα όσα γνωρίζουμε για τη φυσική
- Μέσα στο απλό πρόγραμμα υπολογιστή που θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί υπάρχει καθόλου το Σύμπαν
