Gravity | una dintre forțele fundamentale ale universului

Gravitația de zi cu zi

Greutate vs. masă

În limbajul de zi cu zi, spunem că lucrurile cad pentru că gravitația Pământului trage asupra lor. Vorbim ca și cum greutatea noastră ar fi un "dat". De fapt, greutatea se schimbă atunci când se schimbă atracția gravitațională. Luna este mult mai mică, iar atracția gravitațională asupra Lunii este de aproximativ 1/6 din cea a Pământului. Așadar, orice obiect de pe Lună cântărește 1/6 din greutatea sa pe Pământ. Ceea ce nu se schimbă este cantitatea de materie dintr-un obiect. Acest lucru se numește conservarea masei. Pe Pământ, masa și greutatea sunt identice în majoritatea scopurilor, deși un gravimetru sensibil poate detecta diferența. Diferența poate fi foarte diferită pe o altă lume, cum ar fi Luna.

De aici aflăm două lucruri.

1. Greutatea unui obiect este variabilă; masa sa este constantă.
2. Forța de atracție a gravitației variază în funcție de masa unui obiect. Pământul exercită o atracție mai puternică decât Luna. O persoană exercită, de asemenea, o atracție gravitațională, dar aceasta este atât de mică încât poate fi ignorată în toate scopurile practice.

Pământul are masă. Fiecare particulă de materie are masă. Așadar, Pământul atrage fiecare obiect și persoană, iar aceștia trag de Pământ. Această forță de atracție se numește "gravitație" și dă greutate.

Gravitație vs gravitație

Aceste cuvinte înseamnă aproape același lucru în utilizarea de zi cu zi. Uneori, oamenii de știință folosesc "gravitație" pentru forța care atrage obiectele unele spre altele, iar "gravitație" pentru teoria despre atracție.

 

Teoria gravitațională

Galileo

Potrivit unuia dintre elevii săi, Galileo a făcut un experiment celebru despre gravitație, în care a aruncat bile din Turnul din Pisa. Ulterior, a rostogolit bilele pe pante. Prin aceste experimente, Galileo a demonstrat că gravitația accelerează toate obiectele cu aceeași viteză, indiferent de greutate.

Kepler

Johannes Kepler a studiat mișcarea planetelor. În 1609 și 1616 a publicat cele trei legi care guvernează forma orbitelor lor și viteza lor de-a lungul acestor orbite, dar nu a descoperit de ce se mișcă în acest fel.

Newton

În 1687, matematicianul englez Isaac Newton a scris Principia. În această carte, el a scris despre legea pătratului invers al gravitației. Newton, urmând o idee care fusese discutată de mult timp de alții, a spus că, cu cât două obiecte sunt mai aproape unul de celălalt, cu atât mai mult le va afecta gravitația.

Conform legii gravitației universale a lui Newton, gravitația este o forță între două obiecte cu masă. Trei numere influențează puterea acesteia: masa fiecărui obiect și distanța dintre ele. Aceste două obiecte se vor trage una pe cealaltă cu aceeași forță. Cu toate acestea, o forță are un efect mai mare asupra obiectelor cu o masă mai mică. Forța dintre Soare și Pământ face ca Pământul să orbiteze în jurul Soarelui, dar nu mișcă Soarele decât într-o mică măsură.

Legile lui Newton au fost folosite mai târziu pentru a prezice existența planetei Neptun, pe baza schimbărilor de pe orbita lui Uranus, și din nou pentru a prezice existența unei alte planete mai apropiate de Soare decât Mercur. Când s-a făcut acest lucru, s-a aflat că teoria sa nu era în întregime corectă. Aceste greșeli din teoria sa au fost corectate de teoria relativității generale a lui Albert Einstein. Teoria lui Newton este încă folosită în mod obișnuit pentru multe lucruri, deoarece este mai simplă și este suficient de precisă pentru multe utilizări.

Echilibru dinamic

De ce nu cade Pământul în Soare? Răspunsul este simplu, dar foarte important. Deoarece Pământul care se mișcă în jurul Soarelui se află într-un echilibru dinamic. Viteza de mișcare a Pământului creează o forță centrifugă care echilibrează forța gravitațională dintre Soare și Pământ. De ce continuă Pământul să se învârtă? Pentru că nu există nicio forță care să îl oprească.

Prima lege a lui Newton: "Dacă un corp este în repaus, rămâne în repaus, iar dacă este în mișcare, se mișcă cu aceeași viteză până când este supus acțiunii unei forțe exterioare".

Există un fel de analogie între forța centrifugă și forța gravitațională, care a condus la "principiul echivalenței" al relativității generale.

Lipsa de greutate

În cădere liberă, mișcarea unui obiect echilibrează atracția gravitațională asupra sa. Acest lucru include și orbita.

 
Legea gravitației universale a lui Newton.  

Relativitatea generală

Teoria specială a relativității descrie sisteme în care gravitația nu este o problemă; în schimb, gravitația este problema centrală a teoriei generale a relativității.

În relativitatea generală nu există nicio forță gravitațională care să devieze obiectele de la traiectoria lor naturală, dreaptă. În schimb, gravitația este văzută ca o modificare a proprietăților spațiului și timpului. La rândul lor, acestea modifică cele mai drepte traiectorii posibile pe care obiectele le vor urma în mod natural. Curbura este, la rândul ei, cauzată de energia-momentum a materiei. Spațiu-timpul îi spune materiei cum să se miște; materia îi spune spațiu-timpului cum să se curbeze.

Pentru câmpuri gravitaționale slabe și viteze mici în raport cu viteza luminii, predicțiile teoriei converg cu cele ale legii gravitației universale a lui Newton. Ecuațiile lui Newton sunt folosite pentru a planifica călătoriile în sistemul nostru solar.

Relativitatea generală are o serie de consecințe fizice.

Dilatarea timpului și deplasarea frecvenței

Gravitația influențează trecerea timpului. Lumina trimisă în jos într-un puț gravitațional este deplasată în albastru, în timp ce lumina trimisă în direcția opusă (adică, ieșind din puțul gravitațional) este deplasată în roșu; în mod colectiv, aceste două efecte sunt cunoscute sub numele de deplasarea frecvenței gravitaționale.

În general, procesele care au loc în apropierea unui corp masiv se desfășoară mai lent în comparație cu procesele care au loc mai departe; acest efect este cunoscut sub numele de dilatare gravitațională a timpului.

Devierea luminii și întârzierea gravitațională a timpului

Relativitatea generală prezice că traiectoria luminii este curbată într-un câmp gravitațional; lumina care trece pe lângă un corp masiv este deviată spre acel corp. Acest efect a fost confirmat prin observarea luminii stelelor sau a quasarilor îndepărtați care sunt deviate atunci când trec pe lângă Soare.

În strânsă legătură cu devierea luminii este întârzierea gravitațională (sau întârzierea Shapiro), fenomenul conform căruia semnalele luminoase au nevoie de mai mult timp pentru a se deplasa printr-un câmp gravitațional decât ar face-o în absența acelui câmp. Au existat numeroase teste reușite ale acestei predicții.

Un parametru numit γ codifică influența gravitației asupra geometriei spațiului.

Undele gravitaționale

Undele gravitaționale sunt ondulații în curbura spațiu-timpului. Acestea se deplasează ca o undă, călătorind spre exteriorul sursei. Einstein le-a prezis în 1915, pe baza teoriei relativității generale. În teorie, undele gravitaționale transportă energie sub formă de radiație gravitațională. Sursele de unde gravitaționale detectabile ar putea include sisteme stelare binare compuse din pitice albe, stele neutronice sau găuri negre. În relativitatea generală, undele gravitaționale nu se pot deplasa mai repede decât viteza luminii.

Premiul Nobel pentru Fizică din 1993 a fost acordat pentru măsurătorile efectuate asupra sistemului binar de stele Hulse-Taylor. Aceste măsurători au sugerat că undele gravitaționale sunt mai mult decât particularități matematice.

La 11 februarie 2016, echipele LIGO Scientific Collaboration și Virgo Collaboration au anunțat că au realizat prima observație a undelor gravitaționale, provenite de la o pereche de găuri negre care fuzionează, cu ajutorul detectoarelor LIGO avansate. La 15 iunie 2016, a fost anunțată o a doua detectare a undelor gravitaționale provenite de la găuri negre care se unesc. În afară de LIGO, multe alte observatoare (detectoare) de unde gravitaționale sunt în curs de construcție.

 
Reprezentare schematică a deplasării spre roșu gravitaționale a unei unde luminoase care scapă de pe suprafața unui corp masiv  


Devierea luminii (trimisă din locul indicat în albastru) în apropierea unui corp compact (indicat în gri)  

Pagini conexe

• Viteza de evadare
• Relativitatea generală
• Legile de mișcare ale lui Newton