Tartalom
- A gravitáció rövid története
- A gravitáció elméletei
- Einsteins általános relativitáselmélet
- A Föld gravitációja és azon túl
A legtöbb embernek, tudományos szempontból orientált vagy más módon, legalább egy homályos elképzelése van arról, hogy a gravitációnak nevezett mennyiség vagy fogalom tartja az objektumokat, beleértve magukat, a Földhöz kötve. Megértik, hogy ez általában áldás, de bizonyos helyzetekben kevésbé fontos - mondjuk, amikor egy faágra ültünk és kissé nem tudjuk, hogyan lehet visszatérni a földre, vagy amikor új személyes rekordot próbálunk beállítani egy esemény, mint a magasugrás vagy a rúdbolt.
Valószínűleg nehéz felbecsülni magát a gravitáció fogalmát, amíg nem látjuk, mi történik, amikor annak befolyása csökken vagy megszűnik, például amikor az űrhajósok felvételeit nézzük egy űrállomáson, amely a Föld felszínétől távol bolygón kering. És az igazság az, hogy a fizikusoknak kevés elképzelésük van arról, hogy mi végül "okozza" a gravitációt, annál többet, mint amennyit meg tudnak mondani rólunk, hogy miért létezik az univerzum. A fizikusok azonban olyan egyenleteket állítottak elő, amelyek leírják, hogy a gravitáció milyen rendkívül jól működik, nem csak a Földön, hanem az egész kozmoszban.
A gravitáció rövid története
Az ókori görög gondolkodók több mint 2000 évvel ezelőtt olyan ötletekkel álltak elő, amelyek nagyrészt ellenálltak az idő próbájának, és túléltek a modernitásig. Megállapították, hogy a távoli tárgyak, például a bolygók és a csillagok (amelyek valódi távolsága a Földtől természetesen a megfigyelőknek semmiféle módon nem tudtak) valójában fizikailag egymáshoz vannak kötve, annak ellenére, hogy valószínűleg nincsenek hozzájuk hasonló kábelek vagy kötelek. együtt. Egyéb elméletek hiányában a görögök azt javasolták, hogy a nap, a hold, a csillagok és a bolygók mozgását az istenek szeszélyei diktálják. (Valójában az összes bolygó tudta, hogy akkoriban isteneknek nevezték el őket.) Míg ez az elmélet ügyes és meghatározó volt, nem volt tesztelhető, és ezért csak azért szolgált, hogy egy kielégítőbb és tudományosan szigorúbb magyarázatot szolgáljon.
Csak olyan csillagászok, mint Tycho Brahe és Galileo Galilei, mintegy 300–400 évvel ezelőtt felismerték, hogy a Biblia tanításaival ellentétben, amelyek akkoriban közel százszázadosak voltak, a Föld és a bolygók a Nap körül forogtak, nem pedig a Föld közelében volt. a világegyetem központja. Ez előkészítette az utat a gravitáció felfedezéséhez, ahogy azt jelenleg megértik.
A gravitáció elméletei
Jacob Bekenstein késedelmes elméleti fizikus, a CalTech számára írt tanulmányában kifejezett tárgyak közötti gravitációs vonzás egyik módja az, hogy "nagy hatótávolságú erők vannak, amelyeket az elektromosan semleges testek egymásnak gyakorolnak anyagtartalmuk miatt". Vagyis miközben az objektumok erőt tapasztalhatnak az elektrosztatikus töltés különbségei miatt, a gravitáció ehelyett a pusztán tömeg miatt fellépő erőt eredményez. Technikai szempontból Ön és a számítógép, a telefon vagy a táblagép olvassa ezt, és gravitációs erőt gyakorol egymásra, de Ön és az Internet-képes eszköz olyan kicsi, hogy ez az erő gyakorlatilag nem észlelhető. Nyilvánvaló, hogy a bolygók, csillagok, egész galaxisok és akár galaxisok halmazának méretű tárgyak esetében ez egy más történet.
Isaac Newton (1642-1727), akinek a történelem egyik ragyogóbb matematikai elméje és a számítástechnika egyik feltalálója volt, azt sugallta, hogy a két objektum közötti gravitációs erő közvetlenül arányos tömeg és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével. Ez az egyenlet formájában történik:
Fgravitációs = (G × m1 × m2) / R2
ahol Fgravitációs a gravitációs erő newtonban, m1 és M2 a tárgyak tömege kilogrammban, r az objektumokat elválasztó távolság méterben, és a G arányossági állandó értéke 6,67 × 10-11 (N ⋅ m2) / Kg2.
Noha ez az egyenlet kiválóan működik mindennapi célokra, értéke csökken, amikor a kérdéses tárgyak relativistaak, azaz tömegek és sebességek jellemzik, jóval a tipikus emberi tapasztalatokon kívül. Itt jön be az Einsteins gravitációs elmélete.
Einsteins általános relativitáselmélet
1905-ben Albert Einstein, akinek a neve a tudományos történelemben talán a legjobban felismerhető és a leginkább szinonimája a zseniális szinteknek, közzétette a relativitáselmélet speciális elméletét. A fizikai ismeretek meglévő testére gyakorolt egyéb hatások között megkérdőjelezte a Newton gravitációs koncepciójába épített feltételezést, miszerint a gravitáció a tárgyak között azonnal működik, függetlenül az elválasztás nagyságától. Az Einsteins számításai után megállapítást nyert, hogy a fénysebesség 3 × 108 m / s vagy kb. 186.000 mérföld / másodperc, felsõ korlátot helyezve arra, hogy bármi gyorsan terjedjen az űrben, a Newton-ötletek hirtelen sérülékenynek látszottak, legalábbis bizonyos esetekben. Más szavakkal, míg a newtoni gravitációs elmélet szinte minden elképzelhető hátrányban továbbra is csodálatosan teljesített, ez egyértelműen nem volt a gravitáció egyetemesen igaz leírása.
Einstein az elkövetkező 10 évben egy másik elmélet kidolgozására törekedett, amely összeegyeztetné Newton alapvető gravitációs keretét a felső határértékkel a fénysebességgel, amelyet az univerzum minden folyamatára kivetett, vagy úgy tűnt, hogy rávesz. Az eredmény, amelyet Einstein 1915-ben mutatott be, az általános relativitáselmélet volt. Ennek az elméletnek a győzelme, amely minden gravitációs elmélet alapját képezi a mai napig, az, hogy a gravitáció fogalmát a tér-idő görbületének megnyilvánulásaként, és nem önmagában mint erőt fogalmazta meg. Ez az ötlet nem volt teljesen új; a matematikus Georg Bernhard Riemann 1854-ben fogalmazott meg hasonló ötleteket. De Einstein így a gravitációs elméletet a tisztán fizikai erõkben gyökerező dolgokból egy geometria-alapúbb elméletgé alakította át: A negyedik dimenziót, az időt javasolta a három térbeli dimenzió kísérésére. amelyek már ismertek voltak.
A Föld gravitációja és azon túl
Az Einsteins általános relativitáselméletének egyik következménye az, hogy a gravitáció a tárgyak tömegétől vagy fizikai összetételétől függetlenül működik. Ez azt jelenti, hogy többek között a felhőkarcoló tetejéről leesett ágyúgolyó és márvány a föld felé esik ugyanolyan sebességgel, pontosan ugyanolyan mértékben gyorsítva a gravitációs erő által annak ellenére, hogy az egyik sokkal tömegebb, mint a másik . (A teljesség szempontjából fontos megjegyezni, hogy ez technikailag csak vákuumban igaz, ahol a lég ellenállás nem jelent problémát. A toll egyértelműen lassabban esik le, mint egy lövés, de a vákuumban ez nem lenne a helyzet .) Az Einsteins gondolatának ez a aspektusa elég tesztelhető volt. De mi lenne a relativista helyzetekkel?
2018 júliusában egy csillagászok egy nemzetközi csapata befejezte a Földtől 4200 fényév távolságra lévő háromcsillagos rendszer tanulmányát. Ha egy fényév a távolság, amelyet a fény egy év alatt halad (körülbelül hat trillió mérföld), ez azt jelenti, hogy a csillagászok a Földön itt a fényt felfedő jelenségeket figyelték meg, amelyek valójában körülbelül 2200 B.C. Ez a szokatlan rendszer két apró, sűrű csillagból áll - az egyik a tengelye tengelyén másodpercenként 366-szor forog, a másik egy fehér törpe -, amelyek kiemelkedően rövid, 1,6 napos periódusban keringnek egymással. Ez a pár viszont egy távolabbi fehér törpe csillagot kering minden 327 naponként. Röviden: a gravitáció egyetlen leírása, amely figyelembe veheti a három csillag kölcsönös frenetikus mozgását ebben a rendkívül szokatlan rendszerben, az Einsteins általános relativitáselmélete volt - és az egyenletek valójában tökéletesen illeszkednek a helyzethez.