Au trecut mai mult de trei secole de când fizicianul, matematicianul şi astronomul englez Sir Isaac Newton (1642 -1727) şi-a făcut cunoscută marea descoperire, publicată în cartea sa „Principiile matematice ale filosofiei naturale” (1687). Legea gravitaţiei universale – conform căreia, două corpuri din Univers, oricare ar fi ele, Pământul şi Luna, Soarele şi Pământul etc, se atrag reciproc, cu o forţă proporţională cu masele lor şi invers proporţională cu pătratul distanţei dintre centrele lor. Cu toate acestea, nici până astăzi nu cunoaştem natura acestei forţe, pe care o numim forţă gravitaţională sau, pur şi simplu, gravitaţie.
Newton însuşi s-a ferit să dea o explicaţie, spunând că: „E suficient că gravitaţia există în realitate şi acţionează conform legilor expuse de mine – şi este ceva absolut suficient pentru explicarea mişcării tuturor corpurilor cereşti şi a mării” – rămânând astfel credincios devizei sale „Nu inventez ipoteze”. Înaintea sa, astronomul german Johannes Kepler (1571 -1630) a descoperit că vitezele planetelor pe orbitele lor în jurul Soarelui depind de distanţa faţă de acesta şi a afirmat, înaintea lui Newton, că o forţă de atracţie (pe care el o considera de natură magnetică!) acţionează între Soare şi planete, ca şi între Pământ şi Lună, şi că această forţă determină mişcarea pe orbitele planetare şi pe orbita lunară şi, de asemenea, că forţa de atracţie a Lunii provoacă mareele.
Şi Michael Faraday (1791 -1867) s-a preocupat de natura gravitaţiei, în jurnalul său de laborator a făcut următoarea însemnare: „Cu siguranţă, această forţă (gravitaţia) trebuie să aibă o legătură, ce poate fi dovedită experimental, cu electricitatea, magnetismul şi alte forţe, aşa încât ea să producă, cu ajutorul lor, prin acţiunea reciprocă, şi un efect echivalent. Să ne gândim un moment cum să procedăm pentru a aborda această chestiune, servindu-ne de fapte şi de încercări” (ceea ce nu a reuşit, cu toate că el a fost cel mai mare fizician experimentator al secolului al XIX-lea!). Alţi experimentatori au încercat şi ei să găsească conexiuni între gravitaţie şi alte fenomene fizice de natură electrică, magnetică, termică – dar fără succes.
De ce gravitaţia e doar forţă de atracţie?
Din punct de vedere formal, legea atracţiei gravitaţionale este asemănătoare legii lui Coulomb a interacţiunii sarcinilor electrice, respectiv asemănătoare legii de interacţiune a polilor magnetici. De ce forţele gravitaţionale sunt numai de atracţie, pe când forţele electrice şi cele magnetice pot fi atât de atracţie (între sarcini electrice de semne contrare sau între poli magnetici diferiţi), cât şi de respingere (între sarcini electrice de acelaşi semn, ambele pozitive sau ambele negative) sau între poli magnetici identici (ambii poli nord sau ambii poli sud)?
Nimeni nu scapă de forţa gravitaţională
Există însă şi o altă deosebire fundamentală între gravitaţie şi electromagnetism. Câmpul electric şi câmpul magnetic pot fi ecranate, pe când câmpul gravitaţional, nu. Dacă un corp electrizat – de exemplu, sfera metalică a unei maşini electrostatice Van de Graaff – este înconjurată de o cuşcă metalică („cuşca lui Faraday”), câmpul electric generat de sferă nu trece în exteriorul cuştii. La fel se întâmplă dacă un magnet este introdus într-o cutie metalică de fier, câmpul magnetic nu trece prin pereţii ei. Nu acelaşi lucru se întâmplă în cazul câmpului gravitaţional, care nu poate fi ecranat. Nimeni nu scapă de acţiunea lui, orice ar face.
În cartea sa „Primii oameni pe Lună” (S.F.), scriitorul englez H.G. Wells (1866 – 1946) povesteşte despre expediţia realizată de trei exploratori, care au construit o navă cosmică ce i-a transportat pe Lună, fără să fie echipată cu motoare-rachetă. Ei au folosit, pentru construcţia corpului navei, un material inventat de unul dintre ei, numit „cavorit”, care avea proprietatea extraordinară de a ecrana câmpul gravitaţional. Principiul de funcţionare era foarte simplu: deschizând obloanele situate în direcţia Lunii, sub acţiunea forţei gravitaţionale a Lunii, nava se deplasa spre Lună. Invers, pentru ca nava să revină pe Pământ, era suficient să se închidă obloanele dinspre Lună şi să fie deschise cele orientate spre Pământ. Ideea era ingenioasă şi, în plus, avea avantajul că în cursul deplasării nu se consuma combustibil. Partea proastă este că nimeni n-a reuşit să inventeze cavoritul!
Gravitaţia penetrează tot
Proprietatea câmpului gravitaţional de a penetra toate corpurile o întâlnim şi în cazul radiaţiilor X şi gama (y). Lumina vizibilă care este, de asemenea, de natură electromagnetică, trece prin medii transparente precum sticla, apa, aerul etc. – dar are loc o atenuare, datorită fenomenului de absorbţie. În schimb, radiaţiile X, y şi fasciculele de neutroni pot trece prin blocuri groase de beton! Există şi particule, ca neutrinii, care pot străpunge Pământul, de la un pol la celălalt, fără a fi absorbiţi.
Fizicienii presupun (dar deocamdată nu există nicio dovadă) că şi câmpul gravitaţional, la nivel cuantic, este alcătuit din corpusculi, pe care i-au numit „gravitoni”, tot aşa cum lumina este formată din fotoni, a căror masă este extrem de mică, dar care nu au sarcini electrice. Gravitonul – cuanta câmpului gravitaţional – are o masă extrem de mică, care, din acest motiv, n-a putut fi măsurată, dar care este apreciată la aproximativ 10 (-14) din masa unui proton. Aceşti gravitoni au proprietăţi foarte asemănătoare neutrinilor. Nu cumva presupuşii gravitoni sunt de fapt neutrini? Nu ştim încă…
Teoria relativităţii generale şi gravitaţia
La începutul secolului al XX-lea s-a făcut un pas înainte. Einstein, în teoria sa a relativităţii generale, a încercat să includă, într-o teorie unitară, teoria relativităţii restrânse (care îngloba mecanica şi electromagnetismul) şi gravitaţia. El a considerat că forţele gravitaţionale se pot reduce la forţe de inerţie generate de mişcarea accelerată a maselor, analoage forţelor centripete şi centrifuge. În teoria relativităţii generale, la cele trei coordonate spaţiale se adaugă timpul, ca o a patra coordonată, astfel încât se poate vorbi despre un „univers cvadridimensional”, o teorie dificilă, în care Einstein face uz de calculul tensorial – şi consideră că spaţiul fizic este riemannian, un spaţiu curb în care se aplică geometria lui Riemann (1826 -1866), o geometrie neeuclidiană, ceea ce face foarte dificilă înţelegerea ei.
Conform teoriei relativităţii generale, care de fapt este o teorie a gravitaţiei, traiectoria unei raze de lumină care vine de la o stea, la trecerea ei prin apropierea Soarelui, se curbează datorită câmpului gravitaţional foarte intens. Faptul a fost verificat experimental de astronomul britanic Sir Arthur Eddington, în 1919, în timpul unei eclipse totale de Soare. Teoria relativităţii generale stă la baza cosmogoniei moderne. Ulterior, Einstein a adăugat la ecuaţiile câmpului gravitaţional aşa-numitul termen cosmologic. Cu toate încercările sale de a o perfecţiona, Einstein însuşi s-a declarat nemulţumit de rezultatele obţinute, dându-şi seama că avea părţi slabe, de natură profundă. Teoria relativităţii generale era mai degrabă o teorie matematică (o geometrizare a fizicii), decât o teorie fizică.
Enigma undelor gravitaţionale
O altă enigmă a gravitaţiei se referă la undele gravitaţionale. Există unde gravitaţionale? Dacă da, cu ce viteză se propagă? Care este lungimea lor de undă? Primele încercări de detectare a undelor gravitaţionale venite din spaţiul cosmic au fost făcute de fizicianul Joseph Weber (în 1969) de la Universitatea din Maryland (S.U.A.), el folosind pentru detectarea lor un sistem de cilindri, dar rezultatele obţinute n-au fost concludente, deoarece sensibilitatea aparaturii utilizate nu era suficient de mare.
O sursă de unde gravitaţionale ar putea fi o stea neutronică numită pulsar. În 1974, doi astrofizicieni americani, Russell Hulse (n. 1950) şi Joseph Taylor (n. 1941) au descoperit primul pulsar binar, numit aşa pentru că era, de fapt, format din două stele neutronice (o stea dublă), ce emitea semnale radio la intervale care se modificau în timp, pe care le-au detectat cu ajutorul radiotelescopului de la Arecibo, Puerto Rico. Cele două stele neutronice aveau fiecare masa de aproximativ 1,5 ori masa Soarelui, distanţa dintre ele fiind de 700 000 km, una dintre ele rotindu-se în jurul celeilalte, cu o perioadă de rotaţie T = 8 ore. Datorită distanţei mici, din punct de vedere astronomic, dintre ele, câmpurile gravitaţionale ale celor două stele sunt extrem de intense şi pulsarul emite în spaţiu unde gravitaţionale, ceea ce duce la o pierdere de energie a sistemului şi la o apropiere treptată a lor, fapt care explică variaţia intervalelor de timp între impulsurile radio emise. Apropierea celor două stele neutronice va duce, în cele din urmă, la ciocnirea lor şi la generarea unor unde gravitaţionale extrem de puternice, care ar putea fi detectate şi de pe Pământ.
În cazul pulsarului descoperit de J. Taylor şi R. Hulse, apropierea stelelor se face extrem de încet – ciocnirea lor ar putea avea loc peste aproximativ 500 000 de ani. Există însă, în Calea Lactee – galaxia din care face parte Sistemul nostru Solar – alţi asemenea pulsari binari (până în prezent au fost descoperiţi peste 20), ce evoluează la fel şi care, prin ciocnirea stelelor neutronice care îi alcătuiesc, ar putea produce unde gravitaţionale extrem de puternice, detectabile de pe Terra. Pentru descoperirea lor, prin care ei au demonstrat, în mod indirect, existenţa undelor gravitaţionale, analizând iregularităţile intervalelor de timp dintre impulsurile recepţionate, J. Taylor şi R. Hulse au primit premiul Nobel pentru fizică în anul 1993. Cu toate acestea, nu ne putem declara satisfăcuţi: încă nu avem o dovadă directă a existenţei undelor gravitaţionale, nu ştim care este lungimea lor de undă şi nici cu ce viteză se propagă.
Anomaliile gravitaţionale
Colac peste pupăză, a apărut o nouă enigmă: anomaliile gravitaţionale evidenţiate de sondele spaţiale americane. După 25 de ani de la lansare, s-a constatat că Pioneer 10, lansată în 1972, şi Pioneer 11, lansată în 1973, spre marginile Sistemului Solar, au parcurs o distanţă mai mică decât cea prevăzută. Ceva asemănător, dar de mai mică amploare, s-a observat şi în cazul sondelor spaţiale Ulysse şi Galileo, – de unde, cercetătorii au tras concluzia că este necesară o oarecare (mică) corecţie a ecuaţiilor lui Einstein, prin luarea în considerare a unui parametru secund, un fel de forţă gravitaţională secundară. Pentru verificare, specialiştii propun trimiterea unei noi sonde pe aceeaşi traiectorie cu Pioneer 10, care să măsoare mai precis anomalia. O altă cale ar fi ca, în locul sondei, să se urmărească eventualele modificări ale gravitaţiei – prin detectarea poziţiilor cometelor sau a unui număr de asteroizi, în cazul cărora, ele mişcându-se pe orbite foarte alungite (cu excentricitate mare), vitezele şi distanţele lor până la Soare variază semnificativ.
Cum analiza măsurătorilor făcute şi culegerea de noi date, în diferite regiuni ale Sistemului Solar, asupra unor corpuri cu mase diferite, necesită timp, cercetătorii nu se pot încă pronunţa dacă, într-adevăr, corecţia propusă
trebuie făcută.
În concluzie, gravitaţia continuă să fie cea mai mare enigmă a Universului, încă de nepătruns. Ştim că există, ştim cum acţionează, dar nu ştim ce este!
(Text de Nicolae Chiorcea)
ATENTIE! Intrucat nu toate sursele sunt de incredere si, uneori, este foarte greu pentru a fi verificate, unele articole de pe site-ul lovendal.ro trebuie sa fie luate cu precautie. Site-ul acesta nu pretinde ca toate articolele sunt 100% reale, scopul fiind acela de a prezenta mai multe puncte de vedere si opinii asupra unui anumit subiect (chiar daca acestea par a fi contradictorii). Asadar, erorile si ambiguitatile nu pot fi excluse complet. Prin urmare, nu ne asumam nicio responsabilitate pentru actualitatea, acuratetea, caracterul complet sau calitatea informatiilor furnizate. Utilizatorii folosesc continutul acestui site pe propriul risc.
Au trecut mai mult de trei secole de când fizicianul, matematicianul şi astronomul englez Sir Isaac Newton (1642 -1727) şi-a făcut cunoscută marea descoperire, publicată în cartea sa „Principiile matematice ale filosofiei naturale” (1687). Legea gravitaţiei universale – conform căreia, două corpuri din Univers, oricare ar fi ele, Pământul şi Luna, Soarele şi Pământul etc, se atrag reciproc, cu o forţă proporţională cu masele lor şi invers proporţională cu pătratul distanţei dintre centrele lor. Cu toate acestea, nici până astăzi nu cunoaştem natura acestei forţe, pe care o numim forţă gravitaţională sau, pur şi simplu, gravitaţie.
Teoria relativităţii generale şi gravitaţia
