Gravitație

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Jump to navigation Jump to search

Gravitația este fenomenul fizic natural prin care corpurile cu masă se atrag reciproc.Este una din cele patru interacțiuni fundamentale din natură cunoscute, alături de interacțiunea electromagnetică, interacțiunea nucleară tare și interacțiunea nucleară slabă.

Detalii[modificare | modificare sursă]

Gravity kinetic.gif

În fizica modernă gravitația este descrisă de teoria relativității generalizate (propusă de Albert Einstein în 1915), care descrie gravitația nu ca o forță, ci ca o consecință a curburii spațiu-timpului cauzată de distribuția inegală a masei / energiei.

În cele mai multe situații practice (la scara macroscopică) se poate aplica legea atracției universale a lui Sir Isaac Newton, din mecanica clasică. Aceasta spune că oricare două corpuri acționează unul asupra celuilalt cu o forță de atracție, numită forța gravitațională, direct proporțională cu masele celor două corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

În viața de zi cu zi fenomenul este observat pretutindeni ca forță de atracție exercitată de Pământ asupra tuturor corpurilor terestre, forță numită greutate. Valoarea greutății unui corp este direct proporțională cu masa lui și este orientată spre centrul Pământului. Coeficientul de proporționalitate se numește accelerație gravitațională și este egal cu accelerația unui corp care cade liber în câmpul gravitațional al Pământului.

Elevator gravity.svg

La nivel astronomic gravitația este responsabilă de faptul că Luna se rotește în jurul Pământului și că sistemul Pământ-Lună se rotește în jurul Soarelui. De asemenea gravitația este forța care a dus la apariția tuturor planetelor și sateliților naturali ai acestora, prin atracția reciprocă dintre particulele de materie care se roteau în jurul Soarelui. În cadrul unei galaxii, diferitele stele și sisteme stelare sunt menținute împreună tot prin fenomenul gravitației, iar evoluția întregului univers (de exemplu modul în care acesta se dilată în timp) este la rândul ei dictată de forțele de gravitație dintre toate particulele de materie existente.

Istoria[modificare | modificare sursă]

Antichitate[modificare | modificare sursă]

În secolul al IV-lea î.e.n., filosoful grec Aristotel credea că nu există efect sau mișcare fără cauză.[1] Cauza mișcării în jos a corpurilor grele, cum ar fi elementul pământ, era legată de natura lor, ceea ce le făcea să se deplaseze spre centrul universului, care era locul lor natural. Dimpotrivă, corpurile luminoase, cum ar fi elementul de foc, se mișcă prin natura lor în sus spre suprafața interioară a sferei Lunii. Astfel, în sistemul lui Aristotel, corpurile grele nu sunt atrase de pământ de o forță exterioară a gravitației, ci tind spre centrul universului datorită gravitas interioare sau a greutății.[2]

În Cartea VII din De Architectura, inginerul roman și arhitect Vitruviu susține că gravitația nu depinde de "greutatea" unei substanțe, ci mai degrabă de "natura" ei.

Brahmagupta, astronomul și matematicianul indian a cărui lucrare a influențat matematica arabă în secolul al IX-lea, a susținut că pământul era sferic și că atrăgea obiecte. Al Hamdānī și Al Biruni citează pe Brahmagupta spunând: "Dacă nu luăm în considerare acest lucru, spunem că pământul de pe toate părțile este același, toți oamenii de pe pământ stau în picioare și toate lucrurile grele cad pe pământ printr-o lege a naturii, pentru că este natura pământului de a atrage și de a păstra lucrurile, cum este natura apei să curgă, a focului să ardă și a vântului să pună în mișcare. Dacă un lucru dorește să meargă mai adânc decât pământul, să încerce. Pământul este singurul lucru jos, iar semințele se întorc întotdeauna la el, în orice direcție le puteți arunca, și nu se ridică niciodată de pe pământ."[3]

Era modernă[modificare | modificare sursă]

În secolul al XVII-lea, Galileo a descoperit că, contrar învățăturilor lui Aristotel, toate obiectele se accelerau în mod egal când cădeau.[4]

La sfârșitul secolului al XVII-lea, ca rezultat al sugestiei lui Robert Hooke că există o forță gravitațională care depinde de pătratul invers al distanței, Isaac Newton a reușit să deducă matematic cele trei legi cinematice ale lui Kepler de mișcare planetară, inclusiv orbitele eliptice pentru cele șase planete cunoscute atunci și Luna:

Teoria lui Newton despre gravitație[modificare | modificare sursă]

Sir Isaac Newton

În 1687, matematicianul englez Sir Isaac Newton a publicat Principia, în care face ipoteza legii pătratelor inverse a gravitației universale. [5] După cum spunea el, "am dedus că forțele care păstrează planetele în orbitele lor trebuie să fie reciproce cu pătratele distanțelor lor față de centrele pe care se învârt; și astfel am comparat forța necesară pentru a menține Luna în orbita ei cu forța gravitației de la suprafața Pământului; și am găsit rezultatele destul de apropiate.""[6]

Teoria lui Newton s-a bucurat de cel mai mare succes atunci când a fost folosită pentru a prezice existența lui Neptun pe baza mișcărilor lui Uranus care nu puteau fi explicate de acțiunile celorlalte planete. Calculele lui John Couch Adams și Urbain Le Verrier au prezis poziția generală a planetei, iar calculele lui Le Verrier au condus pe Johann Gottfried Galle la descoperirea lui Neptun.

Paul Dirac a dezvoltat ipoteza că gravitația ar trebui să scadă încet și constant pe parcursul istoriei universului.

Deși teoria lui Newton a fost înlocuită, cele mai moderne calcule gravitaționale non-relativiste o folosesc încă pentru că este mult mai ușor de utilizat și este suficient de precisă pentru majoritatea aplicațiilor.

Explicații mecanice ale gravitației[modificare | modificare sursă]

Teoriile sau explicațiile mecanice ale gravitației sunt încercările de a explica legea gravitației cu ajutorul proceselor mecanice de bază, cum ar fi împingerea și fără a folosi vreo acțiune la distanță. Aceste teorii au fost dezvoltate între sec. 16 -19 în legătură cu teoriile eterului.

René Descartes (1644) și Christiaan Huygens (1690) au folosit vortexuri pentru a explica gravitația. Robert Hooke (1671) și James Challis (1869) au presupus că fiecare organism emite unde care duc la o atracție a altor corpuri. Nicolas Fatio de Duillier (1690) și Georges-Louis Le Sage (1748) au propus un model corpuscular, folosind un fel de mecanism de screening sau de umbrire. Mai târziu, un model similar a fost creat de Hendrik Lorentz, care a folosit radiații electromagnetice în locul corpusculilor. Isaac Newton (1675) și Bernhard Riemann (1853) au susținut că fluxurile eterice mută toate corpurile unul către altul. Newton (1717) și Leonhard Euler (1760) au propus un model în care eterul își pierde densitatea în apropierea masei, ducând la o forță netă îndreptată spre corpuri. Lordul Kelvin (1871) a considerat că fiecare organism pulsează, ceea ce ar putea fi o explicație a gravitației și a încărcăturilor electrice.

Dar toate aceste modele au eșuat, deoarece cele mai multe dintre ele duc la o cantitate inacceptabilă de tracțiune, care nu se observă în realitate. Alte modele încalcă legea privind conservarea energiei și sunt incompatibile cu termodinamica modernă.

Relativitatea generală[modificare | modificare sursă]

Analogia bidimensională a distorsiunii spațiu-timp generate de masa unui obiect. Materia schimbă geometria timpului spațial, această geometrie (curbată) fiind interpretată ca gravitație. Liniile albe nu reprezintă curbura spațiului, ci sistemul de coordonate impus spațiutimpului curbat, care ar fi rectiliniu într-un spațiutimp plat.

În 1907, Albert Einstein, în ceea ce el a descris ca fiind "cea mai fericită idee al vieții mele", a realizat că un observator care cădea de pe acoperișul unei case nu își dă seama de câmpul gravitațional. Cu alte cuvinte, gravitația era exact echivalentă cu accelerația. Între 1911 și 1915, această idee, inițial declarată ca principiu de echivalență, a fost formal dezvoltată în teoria teoriei relativității generale a lui Einstein.

După câțiva ani, a fost descoperită o discrepanță pe o orbită a planetei Mercur care a arătat că teoria lui Newton este inexactă. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, se știa că orbita lui Mercur nu putea fi considerată în întregime sub gravitația newtoniană și că toate căutările pentru un alt corp perturbativ (cum ar fi o planetă care orbitează în jurul Soarelui chiar mai aproape de Mercur) nu au avut nici un rezultat. Această problemă a fost rezolvată în 1915 de noua teorie generală de relativitate a lui Albert Einstein, care a explicat discrepanța în orbita lui Mercur.[7]

În relativitatea generală, efectele gravitației sunt atribuite curburii spațiutimp în locul forței. Punctul de pornire pentru relativitatea generală este principiul echivalenței, care echivalează căderea liberă cu mișcarea inerțială și descrie obiectele inerțiale care cad liber ca fiind accelerate în raport cu observatorii neinerțiali pe pământ. Cu toate acestea, în fizica Newtoniană, nicio astfel de accelerare nu poate apărea decât dacă cel puțin unul dintre obiecte este operat de o forță.

Einstein a sugerat că spațiul este curbat de materie și că obiectele care cad liber se deplasează de-a lungul căilor drepte local în spațiutimp curbat. Aceste căi drepte se numesc geodezice. Ca și prima lege a mișcării lui Newton, teoria lui Einstein afirmă că, dacă se aplică o forță asupra unui obiect, se va abate de la o geodezică. De exemplu, nu mai urmărim geodezicele pentru că rezistența mecanică a Pământului exercită o forță ascendentă asupra noastră și, prin urmare, suntem neinerțiali pe pământ. Aceasta explică de ce mișcarea de-a lungul geodezicelor în spațiu este considerată inerțială.[8][9]

Einstein a descoperit ecuațiile de câmp ale relativității generale, care arată prezența materiei și curbura spațiutimpului și sunt numite după el. Ecuațiile câmpului Einstein sunt un set de 10 ecuații diferențiale simultane, neliniare. Soluțiile ecuațiilor de câmp sunt componentele tensorului metric al spațiu-timpului. Un tensor metric descrie o geometrie a spațiutimpului. Căile geodezice pentru spațiutimp sunt calculate din tensorul metric.

Soluții notabile ale ecuațiilor câmpului Einstein includ:

  • Soluția Schwarzschild, care descrie spațiutimpul care înconjoară un obiect masiv nerotit, sferic simetric. Pentru obiectele compacte suficient, această soluție a generat o gaură neagră cu o singularitate centrală. Pentru distanțele radiale din centru care sunt mult mai mari decât raza Schwarzschild, accelerațiile prevăzute de soluția Schwarzschild sunt practic identice cu cele prognozate de teoria gravitației lui Newton.
  • Soluția Reissner-Nordström, în care obiectul central are o sarcină electrică. Pentru încărcările cu o lungime geometrizată care sunt mai mici decât lungimea geometrizată a masei obiectului, această soluție produce găuri negre cu orizonturi de eveniment dublu.
  • Soluția Kerr pentru rotirea obiectelor masive. Această soluție produce și găuri negre cu orizonturi de evenimente multiple.
  • Soluția Kerr-Newman pentru obiecte masive încărcate, care se rotesc. Această soluție produce și găuri negre cu orizonturi de evenimente multiple.
  • Soluția cosmologică Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, care prezice expansiunea Universului.

Gravitația și mecanica cuantică[modificare | modificare sursă]

În deceniile de după descoperirea relativității generale, s-a constatat că relativitatea generală este incompatibilă cu mecanica cuantică.[10] Este posibil să se descrie gravitația în cadrul teoriei câmpului cuantic ca și alte forțe fundamentale, astfel încât forța atractivă a gravitației apare datorită schimbului de gravitoni virtuali, la fel cum forța electromagnetică rezultă din schimbul de fotoni virtuali. [11][12] Aceasta reproduce relativitatea generală în limita clasică. Cu toate acestea, această abordare eșuează la distanțe scurte de ordinul lungimii Planck, [10] unde este necesară o teorie mai completă a gravitației cuantice (sau o nouă abordare a mecanicii cuantice).

Antigravitație[modificare | modificare sursă]

Antigravitația este o idee de a crea un loc sau un obiect care să nu fie afectat de forța gravitației. Acest concept nu se referă la lipsa greutății din spațiul cosmic sau la echilibrarea forței gravitației cu o altă forță, cum ar fi electromagnetismul sau portanța aerodinamică.

Antigravitația este un concept recurent în literatura științifico-fantastică, în special în propulsia navelor spațiale. Un exemplu timpuriu este substanța care blochează gravitația denumită "Cavorită" din romanul lui H.G. Wells Primii oameni în Lună.[13]

Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ SetThings. „Istoria conceptului de gravitație”. Accesat în . 
  2. ^ Pickover, Clifford. Archimedes to Hawking: Laws of Science and the Great Minds Behind Them (în engleză). Oxford University Press. ISBN 9780199792689. 
  3. ^ Bose, Mainak Kumar. Late classical India (în engleză). A. Mukherjee & Co. 
  4. ^ Bongaarts, Peter (). Quantum Theory: A Mathematical Approach (ed. illustrated). Springer. p. 11. ISBN 978-3-319-09561-5.  Extract of page 11
  5. ^ SetThings. „Teorii moderne ale gravitației”. Accesat în . 
  6. ^ *Chandrasekhar, Subrahmanyan (). Newton's Principia for the common reader. Oxford: Oxford University Press.  (pp. 1–2). | author= Linton, Christopher M.}}
  7. ^ Nobil, Anna M. (). „The real value of Mercury's perihelion advance”. Nature. 320 (6057): 39–41. Bibcode:1986Natur.320...39N. doi:10.1038/320039a0. 
  8. ^ „Gravity and Warped Spacetime”. black-holes.org. Arhivat din original la . Accesat în . 
  9. ^ Dmitri Pogosyan. „Lecture 20: Black Holes—The Einstein Equivalence Principle”. University of Alberta. Accesat în . 
  10. ^ a b Randall, Lisa (). Warped Passages: Unraveling the Universe's Hidden Dimensions. Ecco. ISBN 978-0-06-053108-9. 
  11. ^ Feynman, R. P.; Morinigo, F. B.; Wagner, W. G.; Hatfield, B. (). Feynman lectures on gravitation. Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-62734-3. 
  12. ^ Zee, A. (). Quantum Field Theory in a Nutshell. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-01019-9. 
  13. ^ 10 inventii care ar trebui create # 5. Campul antigravitational

Legături externe[modificare | modificare sursă]

Commons
Wikimedia Commons conține materiale multimedia legate de gravitație