Mi az a gravitáció?

Művész

A művész ábrázolja a gravitációs hullámokat egy bináris rendszer körül. A gravitáció alapvető erő a természetben, de nagyon rejtély a tudósok számára. (Kép jóváírása: shutterstock)





Az univerzum alapvető erői közül csak egy uralja tudatos tapasztalatunk minden pillanatát: a gravitációt. Közel tart bennünket a talajhoz, baseball- és kosárlabdákat húz ki a levegőből, és ad izmainknak valami küzdelmet. Kozmikusan a gravitáció ugyanolyan következmény. A hidrogénfelhőktől csillagokká való összeomlástól a galaxisok összeragasztásáig a gravitáció azon kevés szereplő egyike, amely meghatározza az univerzum evolúciójának nagy vonásait.

Bizonyos értelemben a gravitáció története egyben a fizika története is, ahol a terület néhány legnagyobb neve hírnévre tett szert az életüket uraló erő meghatározásával. De még több mint 400 éves tanulmány után is a rejtélyes erő továbbra is a tudományág legnagyobb rejtélyeinek középpontjában áll.

A gravitáció mint univerzális erő

Ma, a tudósok négy erőről tudnak - olyan dolgok, amelyek vonzzák (vagy taszítják) az egyik tárgyat a másikhoz (vagy attól). Az erős erő a gyenge erő pedig csak az atomközpontokon belül működik. Az elektromágneses erő szabályozza a túlzott töltéssel rendelkező tárgyakat (például elektronokat, protonokat és zoknit, amelyek a homályos szőnyegen csoszognak), és a gravitáció irányítja a tömeges tárgyakat.



Az első három erő nagyrészt elkerülte az emberiség figyelmét az utóbbi évszázadokig, de az emberek régóta spekulálnak a gravitációról, amely mindenre hat, az esőcseppektől az ágyúgolyókig. Ősi görög és az indiai filozófusok megfigyelték, hogy a tárgyak természetesen mozognak a föld felé, de ez egy villanásnyi betekintést igényel Isaac Newton hogy a gravitációt a tárgyak kifürkészhetetlen hajlamából mérhető és kiszámítható jelenségre emeljék.

Newton ugrása, amely az 1687 -es értekezésében vált nyilvánossá A természeti filozófia matematikai elvei , fel kellett ismernie, hogy a világegyetem minden tárgya - a homokszemtől a legnagyobb csillagokig - minden más tárgyat magára húz. Ez a felfogás egyesítette az eseményeket, amelyek teljesen összefüggéstelennek tűntek, a Földre hulló almától (bár valószínűleg nem inspirálta áttörését, Newton dolgozott egy almafa közelében ) a Nap körül keringő bolygókhoz. Számokat is helyezett a látványosságok közé: ha megduplázzuk egy tárgy tömegét, akkor kétszer erősebb lesz a húzása, határozta el, és két tárgy kétszer olyan közel hozza a négyszeres húzást. Newton csomagolta ezeket az elképzeléseket az egyetemes gravitációs törvénybe.

A gravitáció, mint a tér geometriája

Newton gravitációs leírása elég pontos volt ahhoz felderíteni a Neptunusz létezését század közepén, mielőtt bárki láthatta volna, de Newton törvénye nem tökéletes. Az 1800 -as években, a csillagászok észrevették hogy a Merkúr pályája által nyomon követett ellipszis gyorsabban mozog a nap körül, mint azt Newton elmélete megjósolta, és törvénye és a természettörvények közötti enyhe eltérésre utal. A rejtvényt végül Albert Einstein 1915 -ben publikált általános relativitáselmélete oldotta meg.



Mielőtt Einstein közzétette úttörő elméletét, a fizikusok tudták, hogyan kell kiszámítani a bolygó gravitációs vonzását, de megértésük arról, hogy miért viselkedik a gravitáció ilyen módon, alig haladta meg az ókori filozófusokét. Ezek a tudósok megértették, hogy minden tárgy pillanatnyi és végtelenül nagy erővel vonzza a többieket, ahogy Newton feltételezte, és sok Einstein-kori fizikus megelégedett azzal, hogy ezt hagyja. A különleges relativitáselmélet elméletén dolgozva azonban Einstein megállapította, hogy semmi sem haladhat azonnal, és a gravitáció vonzása sem lehet kivétel.

A fizikusok évszázadokon keresztül úgy kezelték az űrt egy üres keret, amely ellen az események játszódtak . Abszolút volt, változatlan, és - fizikai értelemben - nem is létezett. Az általános relativitáselmélet előmozdította a teret és az időt is, a statikus hátteretől a helyiség levegőjéhez némileg hasonló anyaggá. Einstein úgy vélte, hogy a tér és az idő együtt alkotja a világegyetem szövetét, és hogy ez a „téridő” anyag nyújtózkodhat, összenyomódhat, csavarodhat és fordulhat - mindent magával rántva az út során.

Művész



Egy művész elképzelése a gravitációról, amely a szövet téridőt hajlítja a Föld és a Nap körül.(Kép jóváírása: Shutterstock)

Einstein azt javasolta, hogy a téridő alakja adja az erőt, amelyet gravitációként tapasztalunk. A tömeg (vagy energia) koncentrációja, például a Föld vagy a Nap, meghajlítja a teret maga körül, mint egy szikla a folyó áramlását. Amikor más tárgyak a közelben mozognak, követik a tér görbületét, mivel egy levél követheti az örvényt a szikla körül (bár ez a metafora nem tökéletes, mert legalább a Nap körül keringő bolygók esetében a téridő nem folyik) '). Látjuk, hogy a bolygók keringnek és az alma leesik, mert a világegyetem torz alakján áthaladó utakat követik. A mindennapi helyzetekben ezek a pályák megfelelnek a Newton -törvény által megjósolt erőnek.

Einstein általános relativitáselméleti egyenletei, képletek gyűjteménye, amelyek szemléltetik, hogy az anyag és az energia elvetemíti a téridőt, elfogadást nyert, amikor sikeresen megjósolták a Merkúr pályájának változásait, valamint a csillagfény hajlítását a nap körül egy 1919 -es napfogyatkozás során. [ Fényképekben: Einstein 1919 -es Napfogyatkozás kísérlete általános relativitásvizsgálatokat végez ]

A gravitáció, mint a felfedezés eszköze

A gravitáció modern leírása olyan pontosan megjósolja a tömegek kölcsönhatását, hogy a kozmikus felfedezések útmutatója lett.

Amerikai csillagászok Vera Rubin és Kent Ford a hatvanas években észrevette, hogy a galaxisok elég gyorsan forognak ahhoz, hogy csillagokat eresszenek le, mint egy kutya, amely lerázza a vízcseppeket. De mivel az általuk vizsgált galaxisok nem kavarogtak szét, úgy tűnt, valami segít nekik összetartani. Rubin és Ford alapos megfigyelései erős bizonyítékokat szolgáltattak Fritz Zwicky svájci csillagász korábbi, az 1930 -as években javasolt elméletének alátámasztására, miszerint egy láthatatlan tömegváltozás felgyorsítja a galaxisokat egy közeli halmazban. A legtöbb fizikus ma már azt gyanítja, hogy ez a titokzatos „sötét anyag” eléggé elmozdítja a téridőt ahhoz, hogy a galaxisokat és galaxishalmazokat érintetlenül tartsa. Mások azonban azon tűnődnek, hogy maga a gravitáció erősebben húzhat-e a galaxis széles skáláján, ebben az esetben mind Newton, mind Einstein egyenleteit módosítani kell.

Az általános relativitáselmélet javításainak valóban kényesnek kell lenniük, mivel a kutatók nemrégiben kezdték felfedezni az elmélet egyik legkifinomultabb jóslatát: a gravitációs hullámok vagy hullámzások létezését a téridőben, amelyeket a tömegek térbeli gyorsulása okoz. 2016 óta az Egyesült Államokban és Európában három detektort működtető kutatási együttműködés több gravitációs hullámot mért a Földön. Újabb érzékelők vannak úton , elindítva a a csillagászat új korszaka amelyben a kutatók távoli fekete lyukakat és neutroncsillagokat tanulmányoznak - nem az általuk kibocsátott fény által, hanem azáltal, hogy hogyan zúgnak az űr szövete ütközéskor.

Pedig az általános relativitáselmélet kísérleti sikereinek sora megvilágítja azt, amit sok fizikus végzetes elméleti kudarcnak tart: Leírja a klasszikus téridőt, de a világegyetem végső soron kvantumnak tűnik, vagy részecskékből (vagy „kvantumokból”), például kvarkokból és elektronokból áll .

A tér (és a gravitáció), mint egy sima szövet klasszikus fogalma ütközik a világegyetem kvantumképével, mint éles kis darabok gyűjteményével. Hogyan lehet meghosszabbítani az uralkodást A részecskefizika standard modellje , amely az összes ismert részecskét, valamint a másik három alapvető erőt (elektromágnesesség, gyenge erő és erős erő) átfogja, hogy lefedje a teret és a gravitációt a részecskék szintjén, továbbra is a modern fizika egyik legmélyebb rejtélye.

További források: