Gravitația (din latinescul gravitas, care înseamnă „greutate”dict.cc dictionary :: gravitas :: English-Latin translation) este un fenomen natural prin care toate lucrurile cu masă sau energie — incluzând planetele, stelele, galaxiile și chiar lumina — sunt aduse (sau gravitează) unul către celălalt. Pe Pământ, gravitația dă greutate obiectelor fizice, iar gravitația Lunii provoacă mareele oceanelor. Atracția gravitațională a materiei gazoase originale prezentă în Univers a determinat-o să înceapă coalescența, formând stele — și apoi ca stelele să se grupeze în galaxii — deci gravitația este responsabilă pentru multe dintre structurile pe scară largă din Univers. Gravitația are o gamă infinită, deși efectele sale devin din ce în ce mai slabe pe măsură ce obiectele sunt mai departe.
Gravitația este descrisă cu mai multă precizie de teoria generală a relativității (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. Exemplul cel mai extrem al acestei curburi spațiu-timp este o gaură neagră, din care nimic — nici măcar lumina — nu poate ieși dacă a trecut de orizontul evenimentului găurii negre. Cu toate acestea, pentru majoritatea aplicațiilor, gravitația este bine aproximată de Legea atracției universale a lui Newton, care descrie gravitația ca o forță care face ca oricare două corpuri să fie atrase unele de altele cu o forță direct proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.
Gravitația este cea mai slabă dintre cele patru interacțiuni fundamentale ale fizicii, aproximativ 1038 de ori mai slabă decât interacțiunea tare, 1036 de ori mai slabă decât forța electromagnetică și 1029 de ori mai slabă decât interacțiunea slabă. În consecință, nu are nici o influență semnificativă la nivelul particulelor subatomice. În schimb, este interacțiunea dominantă la scară macroscopică și este cauza formării, formei și traiectoriei (orbitei) corpurilor cerești.
Modelele actuale de fizică a particulelor sugerează că cel mai vechi exemplu de gravitație din Univers, posibil sub forma gravitației cuantice, a supergravității sau a singularității gravitaționale, împreună cu spațiul și timpul obișnuit, s-a dezvoltat în epoca Planck (până la 10−43 secunde după Big Bang), posibil dintr-o stare primordială, cum ar fi un vid fals, vid cuantic sau o particulă virtuală, într-o manieră necunoscută în prezent. – discusses "Planck time" and "Planck era" at the very beginning of the Universe Încercările de a dezvolta o teorie a gravitației în concordanță cu mecanica cuantică, o teorie a gravitației cuantice, care ar permite unirea gravitației într-un cadru matematic comun (o teorie a întregului) cu celelalte trei interacțiuni fundamentale ale fizicii, reprezintă zona de cercetare actuală.
Istoria teoriei gravitaționale
Antichitate În secolul al IV-lea î.Hr., filosoful grec Aristotel credea că nu există efect sau mișcare fără cauză. 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. În secolul al III-lea î.Hr. filosoful grec Arhimede a descoperit centrul de greutate al unui triunghi. De asemenea, el a postulat că dacă două greutăți egale nu ar avea același centru de gravitație, centrul de greutate al celor două greutăți împreună ar fi în mijlocul liniei care le unește centrele de gravitație.
Arhitectul și inginerul roman Vitruvius în cartea sa, De Architectura, a susținut că gravitația unui obiect nu depinde de greutate, ci de „natura” sa.
În India antică, Aryabhata a identificat prima dată forța pentru a explica de ce obiectele nu sunt aruncate spre exterior pe măsură ce pământul se rotește. Astronomul și matematicianul Brahmagupta a descris gravitația ca o forță atractivă și a folosit termenul „gurutvaakarshan” pentru gravitație.*
Revoluția științifică
Lucrările moderne asupra teoriei gravitaționale au început cu opera lui Galileo Galilei la sfârșitul secolului al XVI-lea și începutul secolului al XVII-lea. În celebrul său experiment (deși posibil apocrif,) a aruncat bile din Turnul Pisa, iar mai târziu, cu măsurători atente ale bilelor care s-au rostogolit pe un plan înclinat, Galileo a arătat că accelerația gravitațională este aceeași pentru toate obiectele. Aceasta a fost o îndepărtare majoră de la credința lui Aristotel că obiectele mai grele au o accelerație gravitațională mai mare.Galileo (1638), Two New Sciences, First Day Salviati speaks: "If this were what Aristotle meant you would burden him with another error which would amount to a falsehood; because, since there is no such sheer height available on earth, it is clear that Aristotle could not have made the experiment; yet he wishes to give us the impression of his having performed it when he speaks of such an effect as one which we see." Galileo a afirmat că motivul pentru care obiectele cu masă mai mică cad mai lent este rezistența aerului. Opera lui Galileo a creat scena formulării teoriei gravitației a lui Newton.
Teoria gravitației a lui Newton
În 1687, matematicianul englez Sir Isaac Newton a publicat Principia, în care face ipoteza legii pătratelor inverse a gravitației universale. În propriile sale cuvinte, „am dedus că forțele care păstrează planetele în orbitele lor trebuie să fie reciproce cu pătratele distanțelor lor față de centrele pentru care se învârt: și, astfel, am comparat forța necesară pentru a menține Luna în orbita ei cu forța gravitației la suprafața Pământului și le-am găsit să răspundă aproape aproape”.* (pp. 1–2). The quotation comes from a memorandum thought to have been written about 1714. As early as 1645 Ismaël Bullialdus had argued that any force exerted by the Sun on distant objects would have to follow an inverse-square law. However, he also dismissed the idea that any such force did exist. See, for example, Ecuația este următoarea:
Unde F este forța, m1 și m2 sunt masele obiectelor care interacționează, r este distanța dintre centrele maselor și G este constanta gravitațională.
Teoria lui Newton s-a bucurat de cel mai mare succes atunci când a fost utilizată pentru a prezice existența planetei Neptun pe baza mișcărilor lui Uranus care nu puteau fi explicate prin acțiunile celorlalte planete. Calculele realizate atât de John Couch Adams, cât și de Urbain Le Verrier au prezis poziția generală a planetei, iar calculele lui Le Verrier sunt cele care l-au condus pe Johann Gottfried Galle la descoperirea lui Neptun.
O discrepanță în orbita lui Mercur a evidențiat defecte în teoria lui Newton. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, se știa că orbita sa arăta ușoare perturbații care nu puteau fi considerate în întregime sub teoria lui Newton, însă toate căutările unui alt corp perturbator (cum ar fi o planetă orbitând Soarele chiar mai aproape de Mercur) au fost neroditoare. Problema a fost rezolvată în 1915 de noua teorie a relativității generale a lui Albert Einstein, care a explicat mica discrepanță a orbitei lui Mercur. Această discrepanță a fost avansul în periheliu lui Mercur de 42,98 arcsecunde pe secol.
Deși teoria lui Newton a fost înlocuită de relativitatea generală a lui Einstein, majoritatea calculelor gravitaționale non-relativiste moderne sunt încă realizate folosind teoria lui Newton, deoarece este mai ușor de utilizat și dă rezultate suficient de precise pentru majoritatea aplicațiilor care implică mase, viteze și energii suficient de mici.
Explicații mecanice ale gravitației 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.
Principiul echivalenței Principiul echivalenței, explorat de o succesiune de cercetători incluzând pe: Galileo, Loránd Eötvös și Einstein, exprimă ideea că toate obiectele cad în același mod și că efectele gravitației sunt indistinctibile de anumite aspecte ale accelerării și decelerării. Cea mai simplă modalitate de a testa principiul echivalenței slabe este să se arunce două obiecte de mase sau compoziții diferite în vid și să se vadă dacă lovesc pământul în același timp. Astfel de experimente demonstrează că toate obiectele cad la aceeași viteză atunci când alte forțe (precum rezistența aerului și efectele electromagnetice) sunt neglijabile. Testele mai sofisticate folosesc un echilibru de torsiune de tipul inventat de Eötvös. Experimentele prin satelit, de exemplu STEP, sunt planificate pentru experimente mai precise în spațiu.
Formulările principiului echivalenței includ: Principiul echivalenței slabe: Traiectoria unei mase punctuale într-un câmp gravitațional depinde doar de poziția și viteza inițială și este independentă de compoziția sa. Principiul echivalenței einsteiniene: Rezultatul oricărui experiment local ne-gravitațional într-un laborator în cădere liberă este independent de viteza laboratorului și de localizarea acestuia în spațiu. Principiul echivalenței puternice necesită cele două principii de mai sus.
Relativitatea generală
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 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.