Încerc să detectez undele gravitaţionale de 40 de ani. Când am început eram doar doar câţiva, undeva într-un laborator al universităţii. Astăzi sunt 1.000 de fizicieni, care au la dispoziţie observatoare de miliarde de dolari, care cred că suntem aproape de măsurarea undelor gravitaţionale. La 100 de ani după ce vom descoperi undele gravitaţionale, acest moment va fi unul de referinţa în istoria ştiinţei. Va fi ca descoperirea undelor electromagnetice în 1886 (află mai multe despre experimentele lui Heinrich Hertz), la un sfert de secol după ce acestea au fost prezise de către fizicianul James Clerk Maxwell.



Atunci când trebuie să vorbim despre undele gravitaţionale avem o problemă: nu putem vorbi despre acestea fără a explica ideea lui Einstein privind gravitaţia. Recent am început să mă întreb de ce este atât de dificil de explicat teoria ensteiniană a gravitației. Până la urmă am ajuns la o teorie pe care am denumit-o "Tragedia curbării euclidiene a timpului".


Ideile euclidiene trebuie eliminate

Teoria mea începe cu cea mai influentă carte din istoria ştiinţei - "Elementele", scrisă acum 2.300 de ani de matematicianul grec Euclid. "Elementele" au fost tipărite pentru mai mult de 2.000 de ani şi există mai mult de 1.000 de ediţii. Cartea a fost una de căpătâi pentru Galileo, Newton, Einstein şi orice persoană educată de-a lungul istoriei. Încă am ediţia pe care am folosit-o pe când aveam 8 ani.


Conceptele fundamentale din "Elementele" sunt încă predate în şcoala primară şi liceu pe toată planeta în fiecare zi. Toţi ştim aceste concepte: liniile paralele care niciodată nu se întâlnesc, suma unghiurilor dintr-un triunghi au 180o, teorema lui Pitagora şi formula circumferinţei unui cerc: c = 2πr.

De secole geometria euclidiană ne-a modelat modul în care gândim, iar, ca urmare, astăzi avem o concepţie intuitivă a spaţiului care la bază geometria euclidiană.

Problema cu geometria euclidiană este aceea că ne formează o idee falsă despre spaţiu. Gravitaţia nu poate fi explicată fără a elimina geometria euclidiană.


"Impulsul" către relativitatea generală

Prima semnalare a unei posibile erori în cartea lui Euclid a venit în 1820 de la matematicianul Carl Gauss. Acesta a publicat o teoremă în care afirma că se poate stabili forma spaţiului prin măsurarea unghiurilor şi a distanţelor. Acesta a încercat aplicarea teoremei pe Pământ, prin măsurarea suma unghiurilor unui triunghi format din vârfurile a trei munţi.

90 de ani mai târziu Einstein a publicat teoria generală a relativităţii, care ne oferă explicaţia curentă privind gravitaţia.  Teoria este simplă din punct de vedere conceptual, dar are o matematică complexă. Materia curbează spaţiul şi timpul, iar gravitaţia apare ca urmare a mişcării materiei în acest spaţiu deformat.


+--+


Pentru a înţelege strania geometrie a spaţiu-timpului, iată mai jos o serie de resurse care explică foarte bine acest concept (n.trad.)



 

Puteţi citi mai multe despre geometria spaţiu-timpului în acest articol.

+--+

 

Citiţi şi articolul nostru:

Cel mai uimitor aspect al fizicii - călătoria noastră în spaţiu-timp



O observaţie cheie care a confirmat teoria spaţiului curb a fost realizată în Australia în 1922. În cadrul Expediţiei Wallal s-au obţinut fotografii pe timpul unei eclipse solare, pe baza cărora a fost posibilă măsurarea curburii traiectoriei luminii, pe când trecea pe lângă Soare.

Este şocant faptul că astăzi, la 90 de ani după acest eveniment, încă mai predăm geometria ca şi când spaţiul ar fi plat.

Motivul pentru care cultura noastră nu a asimilat încă spaţiul curb este acela că suntem îndoctrinaţi cu geometria euclidiană de mici. Când ajungem adulţi este nevoie de un efort (prea mare pentru mulţi...) pentru a ne adapta la un nou mod de gândire.

Profesorii de şcoală generală ajung rar în contact cu relativitatea generală. Generaţie după generaţie ciclul continuă. Suntem, prin urmare, blocaţi într-un timp euclidian distorsionat...

Aceasta este o tragedie nu doar pentru că adevărul este important, ci şi pentru că elevii sunt expuşi unei învăţături vechi, ce ţine de fizica secolului al XIX-lea.


Un experiment de şcoală generală

Anul trecut am încercat să intervin în cazul unor copii de 11 ani, înainte de a fi îndoctrinaţi. Şcoala Rosalie, din suburbiile localităţii Perth, a fost de acord să-mi ofere această oportunitate de a preda relativitatea generală unui număr de 30 de copii (şase lecţii săptămânale).

Iată cum i-am învăţat că forţa numită gravitaţie este generată ca urmare a faptului că timpul este distorsionat de materie.

Întâi am vorbit despre linii drepte. Cum spunem dacă liniile sunt drepte? Poţi desena linii drepte pe un balon sau pe suprafaţa Pământului?

Ulterior am desenat triunghiuri pe Terra. Să presupunem că începem la Polul Nord, mergem către ecuator, apoi stânga ori dreapta, după care închidem triunghiul. Vom observa că suma unghiurilor nu va mai avea 180o, aşa cum spune Euclid.

Einstein spune că ar trebui să gândim împreună timpul şi spaţiul (ceea ce se numeşte continuu spaţiu-timp). Dar spaţiu-timpul are patru dimensiuni, iar noi, oamenii, nu ne descurcăm minunat atunci când suntem puşi să ne imaginăm patru dimensiuni.

Aşa că am căzut de acord că folosim doar distanţa şi timpul pentru a menţine lucrurile cât de simple posibil. Acum putem desena diagrama (spaţiu-timp) pentru călătoria la şcoală sau pentru un balon căzând din vârful unui turn.

Oricine poate desena diagrama spaţiu-timp pentru călătoria la şcoală şi să indice locurile în care distanţa nu creşte, dar timpul trece (la semafor, de exemplu) şi pe cele în care are loc o accelerare (după intrarea pe autostradă, de pildă).





Următorul pas în explicarea teoriei lui Einstein constă în evaluarea lungimii traiectoriei în spaţiu-timp. Einstein spune că lucrurile aflate în cădere liberă străbat întotdeauna cea mai scurtă traiectorie în spaţiu-timp. La prima vedere această idee este una ciudată. Cum pot măsura o traiectorie când pe o axă este distanţa, iar pe alta este timpul?

Diagrama arată complet diferit dacă schimbăm unităţile de măsură (dacă punem secunde în loc de minute ori metri în loc de mile), iar ideea de lungime a traiectoriei este fără sens când cele două axe au unităţi de măsură diferite.

Singura cale logică de a măsura spaţiu-timpul este să folosim viteza pentru a ne permite să măsurăm timpul în unităţi de spaţiu. Folosind viteza luminii ca factor de conversie putem transforma orice unitate de timp în metri parcurşi de lumină în acea unitate de timp.

Dacă dăm drumul unui balon cu apă din vârful unui turn sunt necesare aproape trei secunde pentru ca balonul să atingă solul. Diagrama spaţiu-timpului corespunzătoare traiectoriei balonului reprezintă o parabolă ce porneşte la 45 de metri deasupra solului şi loveşte axa X (axa timpului) trei secunde mai târziu. Dar 3 secunde în timp înseamnă 9 milioane de metri (3 x 300.000 km).

Balonul a călătorit 900 de milioane de metri în timp. Diagrama spaţiu-timp este însă extrem de lungă... De două ori distanţa până la Lună.

Aşadar acum putem descrie traiectorii spaţiu-timp în metri atât pentru distanţă, cât şi pentru timp.


Plutind şi căzând în spaţiu

Acum să revenim la teoria lui Einstein, care spune că dacă laşi un corp să plutească liber în spaţiu (ori să cadă din vârful unui turn), traiectoria corpului în spaţiu-timp va fi mereu cea mai scurtă cu putinţă.

Cum în mod normal cea mai scurtă distanţă este descrisă de o "linie dreaptă", Einstein spune că traiectoria unui corp aflat în cădere liberă este o "linie dreaptă" în spaţiu-timp (tehnic, acesta se numeşte linie geodezică).

Orice faci pentru a bloca căderea liberă (cum ar fi ţinerea balonului  la nivelul vârfului turnului) va face ca traiectoria să fie mai  lungă.

Acum vine momentul EUREKA! Poţi spune indignat: "Nu are sens. E clar că traiectoria în spaţiu-timp în cazul în care nu are loc căderea este mereu mai scurtă decât traiectoria în cazul în care are loc căderea!".

În cazul căderii pe sol, traiectoria are 45 de metri, iar în cazul ţinerii corpului acesta nu se mişcă deloc în spaţiu. Dar corpul se mişcă în timp...

O traiectorie este mai degrabă diagonală pe diagrama spaţiu-timp, dar cealaltă este paralelă cu axa X. Este ca şi cum ai spune că ipotenuza este mai scurtă decât catetele sale.

Dar nu este non-sens. Einstein are dreptate pentru că timpul depinde de înălţime. Timpul este distorsionat. Timpul  în vârful unui turn curge mai repede decât la sol (deşi diferenţa este extrem de mică).

Un ceas aflat pe vârful turnului nostru se mişcă mai repede cu 4 femtosecunde la fiecare secundă decât un ceas aflat la sol. O valoare foarte mică, dar suficient pentru ca traiectoria în cazul căderii corpului să fie mai scurtă decât în cazul ţinerii acestuia în vârful turnului.

Mai e un mod de a explica lucrurile.  Gravitaţia este forţa pe care trebuie să o aplici obiectelor pentru a preveni căderea liberă a acestora în spaţiu. Nu simţim gravitaţia atunci când suntem în cădere liberă pentru că nu există nicio forţă. Doar urmăm cea mai scurtă cale în spaţiu-timp.

Ceea ce numim gravitaţie este rezultatul distorsionării timpului de către masa Pământului. Gravitaţia este o forţă exercitată de Pământ pentru a ne împiedica să cădem.

Toţi avem o destinaţie în spaţiu-timp: se numeşte bătrâneţea. Natura încearcă să facă lucrurile să ajungă cât mai repede la destinaţie.

Un astronaut ajunge bătrân mai repede dacă pluteşte în jurul staţiei spaţiale. Astronautul este mult mai departe de suprafaţa Pământului decât vârful turnului de care am tot vorbit. Timpul pe staţia spaţială curge mai repede decât pe vârful turnului.

Avem la dispoziţie o planetă care ne asigură forţele necesare pentru preveni căderea noastră către centrul Pământului. Aşadar, Planeta Albastră este o maşină a timpului care se opune îmbătrânirii noastre! E drept, cu doar câteva milisecunde pe timpul unei vieţi :)

Cel mai uimitor lucru pe timpul orelor petrecute cu şcolarii a fost acela că aceştia nu s-au arătat uluiţi de ce învăţau. La final am verificat dacă ei consideră că sunt prea tineri pentru a învăţa lucrurile pe care le-am predat. Cei mai mulţi au spus că nu sunt prea mici pentru a afla astfel de informaţii şi că, în fapt, ce au aflat a fost foarte interesant.


Fizicienii şi astronomii au de-a face cu spaţiul curb în fiecare zi; navigatoarele noastre GPS trebuie să ţină cont de spaţiu-timpul curb în estimările poziţiei. În mai 2011 sonda spaţială Gravity Probe B a descoperit că orbita din jurul Pământului nu se potriveşte cu calculele pe linie euclidiană (cu 28 mm); valoarea corectă este însă stabilită prin teoria lui Einstein.



Gravity Probe B



Este timpul pentru schimbare!

În ciuda adevărului, educatorii noştri cred că fizica lui Einstein este prea dificilă pentru a fi predată în şcoli. Ca rezultat liceenii intră în universităţi îndoctrinaţi cu geometria veche de 2.300 de ani a lui Euclid şi cu fizica veche de 300 de ani a lui Newton.

Foarte puţini ajung să descopere realitatea einsteiniană a spaţiului curb şi a timpului distorsionat. Puţinii norocoşi, în schimb, au dificultăţi în studiul teoriei lui Einstein, pentru că noile informaţii intră în contradicţie cu ceea ce ştiu deja.

Rezultatul? Mulţi studenţi vor ajunge profesori şi îşi vor menţine concepţia newtoniană despre Univers. Lipsa de atracţie a ştiinţei în şcoli s-ar putea să aibă legătură cu faptul că nu le expunem copiilor ideile ştiinţei moderne.

Dacă află de mic, oricine poate înţelege că lumea este non-euclidiană. De asemenea, oricine poate pricepe că unele dintre formulele pe care le învaţă la şcoală, cum ar fi legea forţei gravitaţionale a lui Newton, reprezintă doar o aproximare a realităţii.



Traducere şi adaptare după Gravity