Ce este si cum functioneaza gravitatia?
Astazi sunt peste 1.000 de fizicieni, care au la dispozitie observatoare de miliarde de dolari, care au incercat si, in cele din urma au reusit, sa masoare undele gravitationale. La 100 de ani dupa, acest moment va fi unul de referinta în istoria stiintei. Va fi ca descoperirea undelor electromagnetice în 1886 (afla mai multe despre experimentele lui Heinrich Hertz), la un sfert de secol dupa ce acestea au fost prezise de catre fizicianul James Clerk Maxwell.
Gravitatia se bate cu teoria cuantica. Nu incape in Modelul Standard. De parca n-ar fi suficient, nimeni n-a detectat particula care este responabila. Asadar, ce este gravitatia?
Efectele acestui fenomen fizic sunt observabile. Prin acest fenomen corpurile fizice se atrag reciproc, cu o forta a carei intensitate depinde de masele acestora si distanta dintre ele. Gravitatia este una din cele patru interactiuni fundamentale din natura cunoscute.
Gravitatia este descrisa de teoria relativitatii generalizate la scara macroscopica, insa se poate aplica cu mare exactitate si legea atractiei universale a lui Newton, din mecanica clasica. Legea atractiei universale spune ca oricare doua corpuri actioneaza unul asupra celuilalt cu o forta de atractie direct proportionala cu masele celor doua corpuri si invers proportionale cu patratul distantei dintre ele.
Ceea ce reprezinta un mister, este natura si motivul existentei acestei forte. Desi este observat pretutindeni, fenomenul nu este elucidat. Valoarea greutatii unui corp este direct proportionala cu masa lui si este orientata spre centrul Pamantului. Este vorba de aceeasi forta ce ne tine pe noi pe Pamant, de aceeasi forta ce face ca Luna sa orbiteze in jurul Pamantului, sau a Pamantului sa orbiteze in jurul Soarelui. Coeficientul de proportionalitate se numeste acceleratie gravitationala si este egal cu acceleratia unui corp care cade liber in campul gravitational al Pamantului.
Datorita gravitatiei, noi existam astazi. Reprezinta forta care a dus la aparitia tuturor planetelor si satelitilor naturali, prin atractia reciproca dintre particulele de materie care se roteau in jurul unei stele. Chiar si in cadrul unei galaxii, stelele si sistemele stelare sunt mentinute impreuna datorita gravitatiei, iar evolutia intregului Univers este la randul ei dictata de forta de gravitatie dintre particulele de materie existente.
Einstein a sustinut ca cele trei dimensiuni ale spatiului si dimensiunea timpului sunt unite intr-o singura structura de spatiu-timp. Deformarea sau curbarea structurii spatiu-timp, in geometria cu patru dimensiuni, creeaza gravitatia. Pamantul se mentine pe orbita pentru ca urmeaza curburile din structura spatiului cauzate de prezenta Soarelui. Einstein a numit aceasta imagine noua a gravitatiei “relativitatea generala”. Catastrofa disparitiei Soarelui produce unde gravitationale care se deplaseaza pana la Pamant, cu viteza luminii, si atunci se schimba traiectoria. Teoria relativitatii generale (1916) a lui Einstein, ilustreaza macrouniversul ca o tesatura elastica pe care o pot deforma si intinde stelele si planetele. Aceste deformari si curburi creeaza ceea ce simtim a fi gravitatie. Atractia gravitationala ce tine Pamantul pe orbita in jurul Soarelui este consecinta faptului ca planeta noastra urmeaza curburile si contururile pe care Soarele le creeaza in structura spatiala.
Atunci când trebuie sa vorbim despre undele gravitationale, trebuie, mai intai, sa vedem ideea lui Einstein privind gravitatia. De ce este atât de dificil de explicat teoria ensteiniana a gravitatiei. Pâna la urma ajungi la o teorie pe care fizicienii au denumit-o „Tragedia curbarii euclidiene a timpului”.
Ideile euclidiene trebuie eliminate
Teoria începe cu cea mai influenta carte din istoria stiintei – „Elementele”, scrisa acum 2.300 de ani de matematicianul grec Euclid. „Elementele” au fost tiparite pentru mai mult de 2.000 de ani si exista mai mult de 1.000 de editii. Cartea a fost una de capatâi pentru Galileo, Newton, Einstein si orice persoana educata de-a lungul istoriei.
Conceptele fundamentale din „Elementele” sunt înca predate în scoala primara si liceu pe toata planeta în fiecare zi. Toti stim aceste concepte: liniile paralele care niciodata nu se întâlnesc, suma unghiurilor dintr-un triunghi au 180 de grade, teorema lui Pitagora si formula circumferintei unui cerc: c = 2?r.
De secole geometria euclidiana ne-a modelat modul în care gândim, iar, ca urmare, astazi avem o conceptie intuitiva a spatiului care are la baza geometria euclidiana.
Problema cu geometria euclidiana este aceea ca formeaza o idee falsa despre spatiu. Gravitatia nu poate fi explicata fara a elimina geometria euclidiana.
„Impulsul” catre relativitatea generala
Prima semnalare a unei posibile erori în cartea lui Euclid a venit în 1820 de la matematicianul Carl Gauss. Acesta a publicat o teorema în care afirma ca se poate stabili forma spatiului prin masurarea unghiurilor si a distantelor. Acesta a încercat aplicarea teoremei pe Pamânt, prin a masura suma unghiurilor unui triunghi format din vârfurile a trei munti.
90 de ani mai târziu Einstein a publicat teoria generala a relativitatii, care ne ofera explicatia curenta privind gravitatia. Teoria este simpla din punct de vedere conceptual, dar are o matematica complexa. Materia curbeaza spatiul si timpul, iar gravitatia apare ca urmare a miscarii materiei în acest spatiu deformat. Pentru a întelege strania geometrie a spatiu-timpului, iata mai jos o serie de resurse care explica foarte bine acest concept.
O observatie cheie care a confirmat teoria spatiului curb a fost realizata în Australia în 1922. În cadrul Expeditiei Wallal s-au obtinut fotografii pe timpul unei eclipse solare, pe baza carora a fost posibila masurarea curburii traiectoriei luminii, pe când trecea pe lânga Soare.
Este socant faptul ca astazi, la 90 de ani dupa acest eveniment, înca mai predam geometria ca si când spatiul ar fi plat.
Motivul pentru care cultura noastra nu a asimilat înca spatiul curb este acela ca suntem îndoctrinati cu geometria euclidiana de mici. Când ajungem adulti este nevoie de un efort (prea mare pentru multi…) pentru a ne adapta la un nou mod de gândire.
Profesorii de scoala generala ajung rar în contact cu relativitatea generala. Generatie dupa generatie ciclul continua. Suntem, prin urmare, blocati într-un timp euclidian distorsionat…
Aceasta este o tragedie nu doar pentru ca adevarul este important, ci si pentru ca elevii sunt expusi unei învataturi vechi, ce tine de fizica secolului al XIX-lea.
Un experiment de scoala generala
Cum putem invata ca forta numita gravitatie este generata ca urmare a faptului ca timpul este distorsionat de materie.
Întâi vorbim despre linii drepte. Cum spunem daca liniile sunt drepte? Poti desena linii drepte pe un balon sau pe suprafata Pamântului?
Ulterior desenam triunghiuri pe Terra. Sa presupunem ca începem la Polul Nord, mergem catre ecuator, apoi stânga ori dreapta, dupa care închidem triunghiul. Vom observa ca suma unghiurilor nu va mai avea 180 de grade, asa cum spune Euclid.
Einstein spune ca ar trebui sa gândim împreuna timpul si spatiul (ceea ce se numeste continuu spatiu-timp). Dar spatiu-timpul are patru dimensiuni, iar noi, oamenii, nu ne descurcam minunat atunci când suntem pusi sa ne imaginam patru dimensiuni.
Folosim doar distanta si timpul pentru a mentine lucrurile cât de simple posibil. Acum putem desena diagrama (spatiu-timp) pentru calatoria la scoala sau pentru un balon cazând din vârful unui turn.
Oricine poate desena diagrama spatiu-timp pentru calatoria la scoala si sa indice locurile în care distanta nu creste, dar timpul trece (la semafor, de exemplu) si pe cele în care are loc o accelerare (dupa intrarea pe autostrada, de pilda).
Urmatorul pas în explicarea teoriei lui Einstein consta în evaluarea lungimii traiectoriei în spatiu-timp. Einstein spune ca lucrurile aflate în cadere libera strabat întotdeauna cea mai scurta traiectorie în spatiu-timp. La prima vedere aceasta idee este una ciudata. Cum pot masura o traiectorie când pe o axa este distanta, iar pe alta este timpul?
Diagrama arata complet diferit daca schimbam unitatile de masura (daca punem secunde în loc de minute ori metri în loc de mile), iar ideea de lungime a traiectoriei este fara sens când cele doua axe au unitati de masura diferite.
Singura cale logica de a masura spatiu-timpul este sa folosim viteza pentru a ne permite sa masuram timpul în unitati de spatiu. Folosind viteza luminii ca factor de conversie putem transforma orice unitate de timp în metri parcursi de lumina în acea unitate de timp.
Daca dam drumul unui balon cu apa din vârful unui turn sunt necesare aproape trei secunde pentru ca balonul sa atinga solul. Diagrama spatiu-timpului corespunzatoare traiectoriei balonului reprezinta o parabola ce porneste la 45 de metri deasupra solului si loveste axa X (axa timpului) trei secunde mai târziu. Dar 3 secunde în timp înseamna 9 milioane de metri (3 x 300.000 km).
Balonul a calatorit 900 de milioane de metri în timp. Diagrama spatiu-timp este însa extrem de lunga… De doua ori distanta pâna la Luna.
Asadar acum putem descrie traiectorii spatiu-timp în metri atât pentru distanta, cât si pentru timp.
Plutind si cazând în spatiu
Acum sa revenim la teoria lui Einstein, care spune ca daca lasi un corp sa pluteasca liber în spatiu (ori sa cada din vârful unui turn), traiectoria corpului în spatiu-timp va fi mereu cea mai scurta cu putinta.
Cum în mod normal cea mai scurta distanta este descrisa de o „linie dreapt?”, Einstein spune ca traiectoria unui corp aflat în cadere libera este o „linie dreapta” în spatiu-timp (tehnic, acesta se numeste linie geodezica).
Orice faci pentru a bloca caderea libera (cum ar fi tinerea balonului la nivelul vârfului turnului) va face ca traiectoria sa fie mai lunga.
„Nu are sens. E clar ca traiectoria în spatiu-timp în cazul în care nu are loc caderea este mereu mai scurta decât traiectoria în cazul în care are loc caderea!”, veti spune indignati.
În cazul caderii pe sol, traiectoria are 45 de metri, iar în cazul tinerii corpului acesta nu se misca deloc în spatiu. Dar corpul se misca în timp…
O traiectorie este mai degraba diagonala pe diagrama spatiu-timp, dar cealalta este paralela cu axa X. Este ca si cum ai spune ca ipotenuza este mai scurta decât catetele sale.
Dar nu este non-sens. Einstein are dreptate pentru ca timpul depinde de înaltime. Timpul este distorsionat. Timpul în vârful unui turn curge mai repede decât la sol (desi diferenta este extrem de mica).
Un ceas aflat pe vârful turnului nostru se misca mai repede cu 4 femtosecunde la fiecare secunda decât un ceas aflat la sol. O valoare foarte mica, dar suficient pentru ca traiectoria în cazul caderii corpului sa fie mai scurta decât în cazul tinerii acestuia în vârful turnului.
Mai e un mod de a explica lucrurile. Gravitatia este forta pe care trebuie sa o aplici obiectelor pentru a preveni caderea libera a acestora în spatiu. Nu simtim gravitatia atunci când suntem în cadere libera pentru ca nu exista nicio forta. Doar urmam cea mai scurta cale în spatiu-timp.
Ceea ce numim gravitatie este rezultatul distorsionarii timpului de catre masa Pamântului. Gravitatia este o forta exercitata de Pamânt pentru a ne împiedica sa cadem.
Toti avem o destinatie în spatiu-timp: se numeste batrânetea. Natura încearca sa faca lucrurile sa ajunga cât mai repede la destinatie.
Un astronaut ajunge batrân mai repede daca pluteste in statia spatiala. Astronautul este mult mai departe de suprafata Pamântului decât vârful turnului de care am tot vorbit. Timpul pe statia spatiala curge mai repede decât pe vârful turnului.
Avem la dispozitie o planeta care ne asigura fortele necesare pentru preveni caderea noastra catre centrul Pamântului. Asadar, Planeta Albastra este o masina a timpului care se opune îmbatrânirii noastre! E drept, cu doar câteva milisecunde pe timpul unei vieti.
Fizicienii si astronomii au de-a face cu spatiul curb în fiecare zi; navigatoarele noastre GPS trebuie sa tina cont de spatiu-timpul curb în estimarile pozitiei. În mai 2011 sonda spatiala Gravity Probe B a descoperit ca orbita din jurul Pamântului nu se potriveste cu calculele pe linie euclidiana (cu 28 mm); valoarea corecta este însa stabilita prin teoria lui Einstein.
Este timpul pentru schimbare!
În ciuda adevarului, educatorii nostri cred ca fizica lui Einstein este prea dificila pentru a fi predata în scoli. Ca rezultat liceenii intra în universitati îndoctrinati cu geometria veche de 2.300 de ani a lui Euclid si cu fizica veche de 300 de ani a lui Newton.
Foarte putini ajung sa descopere realitatea einsteiniana a spatiului curb si a timpului distorsionat. Putinii norocosi, în schimb, au dificultati în studiul teoriei lui Einstein, pentru ca noile informatii intra în contradictie cu ceea ce stiu deja.
Rezultatul? Multi studenti vor ajunge profesori si îsi vor mentine conceptia newtoniana despre Univers.
Daca afla de mic, oricine poate întelege ca lumea este non-euclidiana. De asemenea, oricine poate pricepe ca unele dintre formulele pe care le învata la scoala, cum ar fi legea fortei gravitationale a lui Newton, reprezinta doar o aproximare a realitatii.
