Teorii moderne ale gravitației

Teoria lui Newton despre gravitație

În 1687, matematicianul englez Sir Isaac Newton a publicat Principia, în care face ipoteza legii pătratelor inverse a gravitației universale. 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 aproapiate.”

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.

După câțiva ani, a fost o altă discrepanță pe o orbită a planetei 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.

Paul Dirac a dezvoltat ipoteza că gravitația ar trebui să scadă încet și constant pe parcursul istoriei universului [7].

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

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 ăntre sec. 16 -19 în legătură cu teoriile eterului [8].

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 [9].

Relativitatea generală

În relativitatea generală, efectele gravitației sunt atribuite curburii spațiale în locul forței. Punctul de pornire al relativității generale este principiul echivalenței, care echivalează căderea liberă cu mișcarea inerțială. Problema pe care o creează este aceea că obiectele care cad liber se pot accelera unul față de celălalt. În fizica Newtoniană, nu se poate produce o astfel de accelerare decât dacă cel puțin unul dintre obiecte este operat de o forță (și, prin urmare, nu se mișcă inerțial).

Pentru a face față acestei dificultăți, Einstein a propus ca spațiutimpul să fie curbat de materie și ca obiectele care cad liber se deplasează de-a lungul căilor drepte locale în spațiutimpul curbat. (Acest tip de cale este numită geodezic). Mai precis, Einstein și Hilbert au descoperit ecuațiile câmpului relativității generale, care leagă prezența materiei și curbura spațiutimpului și sunt numite după Einstein. Ecuațiile câmpului Einstein sunt un set de 10 ecuații diferențiale simultane, neliniare. Soluțiile ecuațiilor de câmp sunt componentele tensorului metric al spațiutimpului. Un tensor metric descrie geometria spațiului. 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 geometrică care sunt mai mici decât lungimea geometrizată a masei obiectului, această soluție produce găuri negre cu un orizont de evenimente care înconjoară un orizont Cauchy.
Soluția Kerr pentru rotirea obiectelor masive. Această soluție produce și găuri negre cu multiple orizonturi.
Soluția cosmologică Robertson-Walker, care prezice expansiunea universului.

Relativitatea generală s-a bucurat de mult succes datorită modului în care predicțiile sale asupra fenomenelor care nu sunt solicitate de teoria mai veche a gravitației au fost confirmate în mod regulat. De exemplu:

Relativitatea generală explică precesiunea perihelionului anormal al planetei Mercur.
Predicția că timpul trece mai lent la potențialele mai mici a fost confirmat de experimentul Pound-Rebka, experimentul Hafele-Keating și GPS.
Predicția deflecției luminii a fost confirmată mai întâi de Arthur Eddington în 1919 și mai recent a fost puternic confirmată prin observarea unui quasar care trece în spatele Soarelui, așa cum este văzut de pe Pământ.
Întârzierea temporală a luminii care trece aproape de un obiect masiv a fost identificată pentru prima dată de către Irwin Shapiro în 1964 în semnalele navelor spațiale interplanetare.
Eadiația gravitațională a fost confirmată indirect prin studiul pulsarilor binari. În 2016, experimentele LIGO au detectat direct radiația gravitațională din două găuri negre care se ciocnesc, ceea ce face ca aceasta să fie prima observație directă atât a radiației gravitaționale, cât și a găurilor negre.
Expansiunea universului (previzionată de metrica Robertson-Walker) a fost confirmată de Edwin Hubble în 1929.

Gravitația și mecanica cuantică

Câteva decenii după descoperirea relativității generale s-a constatat că nu poate fi teoria completă a gravitației deoarece este incompatibilă cu mecanica cuantică [10]. Mai târziu a fost înțeles că este posibil să se descrie gravitația în cadrul teoriei câmpului cuantic ca și alte forțe fundamentale. În acest cadru 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, dar numai la nivelul liniarizat și postulând că există condițiile pentru aplicabilitatea teoremei Ehrenfest, ceea ce nu este întotdeauna cazul. În plus, această abordare nu este validă la distanțe scurte de ordinul lungimii Planck. [10]

Este de remarcat că, în relativitatea generală, radiația gravitațională, care, conform regulilor mecanicii cuantice, trebuie să fie compusă din gravitoni, este creată numai în situațiile în care curbura spațiutemp oscilează, cum este cazul obiectelor co-orbitale. Cantitatea de radiații gravitaționale emise de sistemul solar este mult prea mică pentru a o măsura.

Cu toate acestea, radiația gravitațională a fost observată atât indirect, ca o pierdere de energie în timp în sistemele pulsar binare, cum ar fi PSR 1913 + 16, cât și direct de observatorul LIGO, unde prima detectare (numită GW150914) a avut loc la 14 septembrie 2015 [13] și a corespuns predicțiilor teoretice ale semnalelor datorită spiralei interioare și fuziunii unei perechi de găuri negre. Se crede că fuziunile cu stele neutronice (de când au fost detectate în 2017) [14] și formarea găurilor negre pot crea, de asemenea, cantități detectabile de radiații gravitaționale.

Referințe

7) Haber, Heinz (1967) [1965]. „Die Expansion der Erde” [The expansion of the Earth]. Unser blauer Planet [Our blue planet]. Rororo Sachbuch [Rororo nonfiction] (in German) (Rororo Taschenbuch Ausgabe [Rororo pocket edition] ed.). Reinbek: Rowohlt Verlag. p. 52. Der englische Physiker und Nobelpreisträger Dirac hat […] vor über dreißig Jahren die Vermutung begründet, dass sich das universelle Maß der Schwerkraft im Laufe der Geschichte des Universums außerordentlich langsam, aber stetig verringert.” English: „The English physicist and Nobel laureate Dirac has […], more than thirty years ago, substantiated the assumption that the universal strength of gravity decreases very slowly, but steadily over the course of the history of the universe.
8) Taylor, W. B. (1876). „Kinetic Theories of Gravitation”. Smithsonian: 205–282.
9) Zenneck, J. (1903). „Gravitation”. Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften mit Einschluss ihrer Anwendungen. Leipzig. 5 (1): 25–67. doi:10.1007/978-3-663-16016-8_2.
10) Randall, Lisa (2005). Warped Passages: Unraveling the Universe’s Hidden Dimensions. Ecco. ISBN.
11) Feynman, R. P.; Morinigo, F. B.; Wagner, W. G.; Hatfield, B. (1995). Feynman lectures on gravitation. Addison-Wesley. ISBN 0-201-62734-5.
12) Zee, A. (2003). Quantum Field Theory in a Nutshell. Princeton University Press. ISBN.
13) Abbott, Benjamin P.; et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). „Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”. Phys. Rev. Lett. 116 (6): 061102. Bibcode:2016PhRvL.116f1102A. PMID 26918975. arXiv:1602.03837 . doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. Lay summary (PDF).
14) „Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger”. The Astrophysical Journal Letters. 848 (2): L12. 2017.