Възприемаме гравитацията и че ако изтървем предмет, той ще падне на пода, като нещо ясно, интуитивно или разбиращо се от само себе си. Но нещата не са толкова прости и някои от тези аспекти все още продължават да търсят своя конкретен отговор. Защо е така, обяснява астрономът Боян Велев.
Тези въпроси вероятно звучат странно, защото всеки от нас вероятно си спомня уроците по физика от основното училище и приказката за ябълката, паднала на главата на Нютон. Макар да са известни ефектите от гравитацията, реално днес учените все още не са на едно мнение какво точно представлява тя.
Защо нещата падат?
До края на XVI век преобладавало схващането, че колкото е по-тежък един предмет толкова по-бързо пада. Запленен от идеята да разбере защо нещата падат, Галилео Галилей, родом от Пиза, експериментирал хвърляйки различни обекти от едноименната градска кула. По този начин той стига до извода, че не теглото, а формата на предметите има значение при тяхното падане – тоест ако атмосферата се премахне, всички предмети ще падат към земята с една и съща скорост.
Галилео Галилей 1564 – 1642, Източник: Wikipedia
Това е нагледно доказано близо четири века по-късно - по време на мисията Аполо 15. Докато е на Луната астронавтът Дейвид Скот експериментира свободно падане на чук и перо – те достигат повърхността на Луната едновременно.
Дейвид Скот, Аполо 15 – Свободно падане на чук и перо на Луната. Източник: НАСА
Галилео доказва не само, че масата няма значение, но и с помощта на дълга рампа и падащи по нея топчета, че при падане, скоростта не е постоянна, а се ускорява. От своя страна това пък позволява да се пресметне колко е силата на земното притегляне (спрямо това колко бързо се ускорява падането) Това е първият опит за измерване на гравитацията като земно притегляне.
Рампата използвана от Галилео за измерване скоростта на падане на всяко топче от определена точка. Поради липсата на часовници, за засичане е използвано времето за напълване на чаша с вода. Резултатите показват, че разстоянието се увеличава право пропорционално на времето на квадрат – тоест за всяка. следваща секунда топчето изминава два пъти повече разстояние.
Няколко години след смъртта на Галилей Нютон се опитва да направи връзка между падането на предметите на Земята и орбитите на планетите, които не изглежда да падат. Той достига до извода, че между всеки два обекта във Вселената съществува сила на привличане, която зависи от тяхната маса и разстоянието по между им. Колкото по-големи са обектите, толкова е по-голяма и силата, но със увеличаване на разстоянието помежду им тя действа по-слабо. Този фундаментален Нютонов Закон за гравитацията обяснява орбитите на планетите и защо галактиките се въртят.
Закон на Нютон за гравитацията
През средата на XVIII в. - използвайки формулата на Нютон, Хенри Кавендиш успява да пресметне с учудваща точност масата на Земята. За целта той конструира специален уред, с който измерва силата на привличане между два обекта, чрез отместването помежду им в следствие на различната им маса. Неговите сметки, по-късно, позволяват на учените да изчислят масата на планетите спрямо орбитите им.
Модел на уреда на Кавендиш, Източник: Science Museum / Science & Society Picture Library
Така до началото на XIX век е установено, че между отделните тела съществува сила на привличане, зависеща от тяхната маса и отстояние едно от друго. Това обяснява защо нещата падат и наличието на земно притегляне.
Падат ли наистина нещата? А планетите?
Планетите обаче са на много големи разстояния една от друга и между тях, видимо, няма нищо –следователно е странно как могат да си влияят, според постулатите на Нютон. Това се чудил Алберт Айнщайн в началото на ХХ в., докато един ден, през 1907 г., му хрумнало, че когато човек пада, той се „рее“ свободно – от негова собствена гледна точка, този човек не извършва никакво движение и е в покой. Щом се рее свободно, човекът не само ще се чувства в безтегловност – както е в бързо падащ асансьор, но той ще е и в безтегловност, което означава, че на него не му действа никаква сила на привличане, защото такава няма – следователно привличането и ускорението са едно и също нещо.
 |
 |
 |
 |
| Инерциална система | Ускорена нагоре система | Окачена в гравитационно поле система | Свободно падаща система |
Според принципа на еквивалентността е невъзможно да се определи дали една система е в гравитационно поле или се ускорява с постоянно ускорение.
Това се нарича принцип на еквивалентността и е в основата на неговата Обща теория за относителността. Тъй като Земята се движи с голяма скорост (30 km/s) усещането за привличане към повърхността е всъщност ускорението на движещата се планетата (която ни завлича със себе си).
И така, след като гравитацията не е сила, която да действа на падащия човек, Айнщайн заключва, че тя следва да действа на средата около него, т.е. тя описва и характеризира промените в пространство-времето.
Тези промени са причинени от материята – тя го изкривява и огъва. Тоест, тяло като Земята изкривява пространството около себе си, а обектите в орбитата й следват извивката – от тяхна гледна точка те се движат направо, но все едно по крив път. И при положение, че времето и пространството са преплетени – материята огъва както пространството така и времето.
Огъване на пространство-времето. Източник: Wikimedia Commons
Айнщайн заключва и по-късно доказва, че колкото по-голяма е гравитацията, т.е. колкото повече материя има, толкова по-бавно се движи времето около нея. Така например, за да се получава информация в реално време - часовникът на GPS сателитите трябва да се настройва специално за компенсиране на тази разлика (38 µs). А при наличието на различни нива на гравитация, щом се променя скоростта на времето, се променя и бързината, с която остаряваме.
Според теорията за гравитацията - планетите, звездите, галактиките „падат“ следвайки извивките на пространство-времето. Измервайки гравитацията обаче се оказва, че близо 80% от масата в нашата Вселена липсва или е невидима – така се стига до заключението за наличие на т. нар. тъмна материя или тъмно вещество. Това е вещество, което има маса, съставлява около 80% от нашата Вселена, но ние не го виждаме и не можем да го засечем.
Какво всъщност е гравитацията?
До средата на ХХ в. става ясно, че гравитацията не е сила на привличане, а времето и пространството са преплетени в едно пространство-време. То се криви и огъва под въздействие на масата, като така и времето тече различно: повече маса -> по-голяма извивка -> по-бавно време.
Щом времето се забавя с увеличаване на гравитацията може би то е самата гравитация или причина за нейното съществуване? Погледнато от друга гледна точка според професорът по теоретична физика Кип Торн (Kip Thorne) от Калифорнийския научен институт:
„Всичко би искало да живее там където ще остарява най-бавно и гравитацията е това, което го придвижва към едно такова място. На повърхността времето се движи най-бавно и за това гравитацията се стреми да ни задържи там.“
Теорията за гравитацията на Айнщайн обяснява взаимодействието между телата на макрониво – между големи тела и на големи разстояния.
Възниква проблем обаче на супермакрониво - затруднявайки се да обясни движението на галактиките и разширяването на Вселената - излиза, че огромна част от материята (веществото) я няма или не я виждаме. Също така теорията не работи и на микрониво – при квантовите частици. Това кара много физици да смятат, че Айнщайн някъде греши и може би има друго обяснение, което все още не е открито.
Днес, в стремежа да се достигне до една теория, която да обяснява процесите на всички нива – т.нар. Теория на всичко, се работи по три основни направления за уточняване и разбиране на различните несъответствия и дупки:
1) Модифицирана гравитация– обхваща всички теории, които базирайки се на идеите на Айнщайн се опитват да ги надградят като:
a. прецизират или променят изчисленията му, достигайки до същия резултат;
b. постигнат различен резултат, използвайки същите идеи и изчисления;
c. допълнят изчисленията доказвайки или отхвърляйки съществуването на тъмно вещество (MOND);
2) Теорията за квантова гравитация и Струнната теория (Теория на струните), където съществува частица - преносиел на гравитацията – гравитон, която пък за своето съществуване предполага наличието на 10 преплетени измерения.
3) Нови идеи – където изцяло се отхвърлят идеите на Айнщайн, за да се започне на чисто.
Един на пръв поглед банален въпрос „Защо падат нещата“ води до цялостно преосмисляне на света около нас и възприятията ни като все още продължава да търси своя конкретен отговор.
Авторът Боян Велев е магистър по астрономия.
Източници:
1. Astronomy et al Podcast: Jackson Said from the University of Malta about his research on Modified Gravity as a way to get rid of the dark “stuff” problem. http://astroetal.com/episode2/, September 4, 2016; Astronomy et al, Cosmology, General Relativity
2. Evidence of Warped Spacetime, Author of original content: Nick Strobel, https://www.astronomynotes.com/relativity/s4.htm
3. The Fascinating Truth About Gravity | Jim Al-Khalili: Gravity and Me | Spark, https://www.youtube.com/watch?v=2_p2ELD7npw&list=TLPQMDIxMTIwMjA1pjisEE1dtQ&index=5
Още по темата
Физика
Пораждащата се гравитация може да доведе до обединяване на гравитацията и квантовата механика
Физика
Пикселирано ли е пространството? В търсене на квантовата гравитация
Космос
Неравномерната Вселена: Космическо разширяване и Общата теория на относителност на Айнщайн
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари