Γιατί η βαρύτητα δεν είναι μια δύναμη που έλκει;

Η θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα δεν είναι απολύτως ακριβής. Η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν εξηγεί ότι η βαρύτητα δεν είναι μια δύναμη που έλκει, αλλά μάλλον μια επίδραση της καμπυλότητας του χωροχρόνου.

Η βαρύτητα είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που αποτελούν το Σύμπαν. Είμαι σίγουρος ότι όλοι είναι εξοικειωμένοι με τον μύθο για το μικρό ατύχημα που οδήγησε τον Νεύτωνα στη δραματική ανακάλυψη της βαρύτητας. Καθώς κοιμόταν κάτω από ένα δέντρο, ένα μήλο έπεσε στο κεφάλι του και ο Νεύτων, που πιστεύεται ότι σκεφτόταν τις δυνάμεις της φύσης κάτω από αυτό ακριβώς το δέντρο, είχε μια Θεοφάνεια. Αυτό που ακολούθησε ήταν ένας παράλογος ισχυρισμός. συμπέρανε ότι η ίδια δύναμη που τράβηξε το μήλο κάτω από το δέντρο είναι αυτή που κράτησε τη Γη σε κίνηση γύρω από τον Ήλιο.

Ο μύθος περιέχει όλα τα στοιχεία μιας σπινθηριστικής επιστημονικής ανακάλυψης - μια ιδιότυπη ιδιοφυΐα στη δουλειά, μια δολοπλοκία και μια μνημειώδης διορατικότητα που επισπεύδεται από την παρακολούθηση των πιο κοσμικών γεγονότων - μια αρετή αλληγορικής σκέψης. Ο μύθος, ωστόσο, δεν είναι εντελώς αληθινός, αλλά… ούτε η θεωρία του Νεύτωνα.

(Φωτογραφία:Flickr)

Η άποψη του Νεύτωνα έναντι του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα

Πρώτα απ 'όλα, το μήλο δεν έπεσε στο κεφάλι του Νεύτωνα. Σύμφωνα με τον βιογράφο του, William Stukeley, ο Newton είδε την πτώση του μήλου σε απόσταση, ενώ ήταν σε μια «στοχαστική διάθεση». Σκέφτηκε γιατί το μήλο έπεσε «κάθετα» ή κατευθείαν προς το έδαφος, αντί πλάγια ή με οποιοδήποτε άλλο ανορθόδοξο τρόπο. Αργότερα υπέθεσε ότι η δύναμη της βαρύτητας μεταξύ δύο σωμάτων τα τράβηξε ή τα τράβηξε το ένα προς το άλλο με μέγεθος που είναι ευθέως ανάλογο με τις μάζες τους και αντιστρόφως ανάλογο με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους. Η τροχιά που υφίστανται τα σώματα θα είναι η συντομότερη για να ελαχιστοποιηθεί η δαπάνη ενέργειας, επομένως, μια ευθεία γραμμή.

Ακόμη και ο ίδιος ο Νεύτωνας δεν ήταν ιδιαίτερα ικανοποιημένος με τη θεωρία του. Ήταν αμφίβολος γιατί οραματίστηκε τη δύναμη να είναι μια ώθηση, όχι ένα ανεξήγητο τράβηγμα. Αυτή η έλξη της βαρύτητας θα μπορούσε είτε να εξηγηθεί περαιτέρω αποκαλύπτοντας κάτι που ο Νεύτωνας έχασε αμέσως ή θα μπορούσε απλώς να γίνει αποδεκτό ότι η «μαγική» έλξη ήταν μια ουσιαστική ιδιότητα της μάζας. Το τελευταίο έγινε ευαγγέλιο, αντέχοντας και συσκοτίζοντας την αλήθεια για 400 χρόνια.

Ευτυχώς, αυτό το δόγμα δικαίως απορρίφθηκε από τον Αϊνστάιν, μια εξίσου τρομερή ιδιοφυΐα, όταν έκανε έναν ακόμη πιο παράλογο ισχυρισμό και πρότεινε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Αυτό έδειξε το απέραντο θάρρος του, γιατί ένας υπάλληλος διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας αμφισβητούσε τον Νεύτωνα, έναν πραγματικό ημίθεο της φυσικής. Αμφισβητούσε μια άποψη που λατρευόταν για 400 χρόνια.

(Φωτογραφία:Εικόνες δημόσιου τομέα)

Η ανακάλυψη του Αϊνστάιν βασίστηκε σε μια σειρά από πειράματα σκέψης. Σκεφτείτε έναν αστροναύτη να επιπλέει στο διάστημα, μακριά από οποιαδήποτε πηγή βαρύτητας, και τον ίδιο αστροναύτη να πέφτει ελεύθερη στη βαρύτητα ενός πλανήτη. Η ομοιότητα και των δύο εμπειριών είναι απίστευτη. Ο αστροναύτης πρέπει να γλιστρήσει ή να καθίσει ακίνητος μέχρι να επηρεαστεί από μια εξωτερική δύναμη. Εάν ένας αστροναύτης πέσει ή επιπλεύσει χωρίς να γνωρίζει τη θέση του, ας πούμε, σε έναν κλειστό ανελκυστήρα, δεν μπορεί να διακρίνει εάν ο ανελκυστήρας επιπλέει στο βαθύ διάστημα ή μέσα από ένα κτίριο στη Γη. Και στις δύο περιπτώσεις είναι ουσιαστικά χωρίς βάρος. Ωστόσο, εάν δεν βιώσει καμία δύναμη, γιατί ένας αστροναύτης που πέφτει ελεύθερα επιταχύνει; Στη Νευτώνεια μηχανική, αυτό είναι παράδοξο, καθώς έρχεται σε αντίθεση με τον δεύτερο νόμο της κίνησης του Νεύτωνα - το μέγεθος της επιτάχυνσης είναι ανάλογο με την εφαρμοζόμενη εξωτερική δύναμη.

Ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι τα αντικείμενα δεν έλκονται από ογκώδη αντικείμενα, αλλά μάλλον ωθούνται προς τα κάτω από τον χώρο από πάνω τους. Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, η ύλη στρεβλώνει τον ιστό όχι μόνο του χώρου αλλά και του χρόνου, συλλογικά γνωστό ως το συνεχές του χωροχρόνου. Το ύφασμα είναι σαν ένα πλέγμα από λάστιχα που δένουν σφιχτά. όταν ένα ογκώδες αντικείμενο τα σπρώχνει και τα τεντώνει προς τα κάτω, τα παραμορφωμένα λάστιχα σπρώχνουν αντικείμενα κάτω από αυτά. Η θεωρία υπονοούσε ότι τα μικρότερα αντικείμενα δεν έλκονταν προς ογκώδη αντικείμενα αλλά ταξίδευαν σε μια κατηφορική κλίση, καθώς ο χώρος κοντά στο τελευταίο παραμορφωνόταν από τη μεγάλη του μάζα. Ένα σώμα που πέφτει ελεύθερα, λοιπόν, ακολουθεί την ευθύτερη δυνατή διαδρομή στον χωροχρόνο.

Ο Αϊνστάιν ανέπτυξε αυτή τη θεωρία με την υπόθεση ότι οι νόμοι της φυσικής πρέπει να φαίνονται ίδιοι σε κάθε παρατηρητή. Αυτό ισχύει και για πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο. Οι πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά ακολουθούν τη συντομότερη διαδρομή γύρω από τον Ήλιο για να ελαχιστοποιήσουν την ενέργεια. Αυτή η διαδρομή είναι μια έλλειψη, η πιο αποτελεσματική διαδρομή στο πηγάδι βαρύτητας του Ήλιου… αλλά τι γίνεται με την επιτάχυνση του αστροναύτη;

Οι γεωδαιτικές εξισώσεις του Αϊνστάιν υποδηλώνουν ότι η επιτάχυνση είναι προϊόν του καμπύλου χωροχρόνου. Η εξίσωσή του εξηγεί πώς η καμπυλότητα επιταχύνει ένα αντικείμενο που πέφτει. Ελλείψει καμπυλότητας, το σώμα θα κινούνταν σε ευθεία γραμμή με σταθερή ταχύτητα, εκτός εάν αυτή η κίνηση θα διαταράσσονταν από μια κατά τα άλλα εξωτερική δύναμη. Ωστόσο, η πιο ενδιαφέρουσα πτυχή της εξίσωσης είναι η απουσία μάζας στην έκφρασή της. Το μέγεθος της επιτάχυνσης είναι ανεξάρτητο από το σώμα που πέφτει, όπως ακριβώς θα απαιτούσε η αρχή της ισοδυναμίας (αν ρίξετε ένα σφυρί και ένα φτερό στην επιφάνεια του φεγγαριού, θα έπεφταν ταυτόχρονα).

Είναι η Νευτώνεια βαρύτητα μια πλάνη;

Η νευτώνεια βαρύτητα δεν μπορεί να εξηγήσει την περίεργη τροχιά του Ερμή, ούτε τον βαρυτικό φακό, την κάμψη του φωτός καθώς περνά κοντά σε ένα τεράστιο αντικείμενο, όπως ο Ήλιος. Είναι η άποψη του Νεύτωνα εντελώς λανθασμένος? Αν ναι, τότε γιατί είναι ακόμα πανταχού παρόν στα σχολικά μας βιβλία;

Η άποψη του Νεύτωνα δεν είναι λανθασμένη. Στην πραγματικότητα, η NASA εξακολουθεί να χρησιμοποιεί τους περιβόητους νόμους της για να προβλέψει τη συμπεριφορά των δορυφόρων στο διάστημα. Η άποψή του παραμένει εξαιρετικά ακριβής για μικρά σώματα και χαμηλές ταχύτητες. Ο λόγος για τον οποίο τα παιδιά δεν εκπαιδεύονται στις αρχές της Γενικής Σχετικότητας είναι ότι οι έννοιες είναι εξαιρετικά δύσκολο να κατανοηθούν. Η γεωμετρία δεν είναι αυστηρά κατάλληλη για το γυμνάσιο ή τον Ευκλείδειο, και η πολυπλοκότητα των μαθηματικών είναι υψίστης τάξης. Το σημαντικό πράγμα που πρέπει να θυμάστε είναι ότι η βαρύτητα δεν είναι ούτε ώθηση ούτε τράβηγμα. Αυτό που ερμηνεύουμε ως «δύναμη» ή ως επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας είναι στην πραγματικότητα η καμπυλότητα του χώρου και του χρόνου — η ίδια η διαδρομή σκύβει προς τα κάτω.