Materia curbează spaţiu-timpul, iar spaţiu-timpul curbat dictează mişcarea materiei în univers. credit: LIGO/T. Pyle

 

Când Albert Einstein a publicat pentru prima dată teoria specială a relativității în 1905 - a fost ridiculizat. Oamenii au crezut că este prea ciudat și radical ce propunea aceasta ca să fie real. Nici Einstein nu a fost mulțumit de teoria sa, deoarece se nu aplica în prezența gravitației sau dacă observatorul accelera. Într-o zi, în timp ce observa un spălător de geamuri pe o scară din apropierea biroului său, a avut o revelație.

Și-a imaginat ce se va întâmpla dacă lucrătorul ar cădea. S-a pus în locul spălătorului de geamuri și și-a imaginat ce se va întâmpla pe măsură ce ar cădea. Și-a dat seama că dacă ar cădea, gravitația ar fi singura forță care acționează asupra lui. El ar accelera spre Pământ, dar nu ar simți nicio greutate. Și acest lucru nu ar fi altfel dacă ar fi undeva în spațiul interstelar, în afara câmpului gravitațional al Pământului.

Einstein este cea mai cunoscută figură din știință, chiar și la 65 de ani de la moartea sa. Cele două teorii ale relativității (relativitatea specială și relativitatea generală) au schimbat fundamental percepția asupra lumii. Multe din consecințele ideilor sale, dovedite experimental de nenumărate ori, sunt atât de contraintuitive, încât par de necrezut.

O consecință a concepției einsteiniene asupra gravitației este că, în fapt, Pământul accelerează către tine cu 9,8 m/s2 (o consecință a principiului echivalenței, cel mai fericit gând al vieții sale, după cum spunea acesta). Iată o explicație simplă a acestei „absurdități”.

Pe măsură ce te apropii de centrul Pământului, efectele gravitației asupra unui corp sunt din ce în ce mai mici (forța gravitațională, calculată după formula lui Newton, scade). Ajuns în centrul Pământului, se atinge starea de imponderabilitate, căci efectele gravitației exercitate de materia din jur, egal distribuită, se anulează reciproc.

Relativitatea generală, teoria gravitației creată de Albert Einstein, printre multe predicții uluitoare, prezice și că un câmp gravitațional va încetini trecerea timpului. Cu cât mai puternic câmpul gravitațional, cu atât mai lentă trecerea timpului.

Așadar avem de-a face cu un aparent paradox. Spunem că fotonul nu are masă. De aceea se poate deplasa cu viteza maximă în univers. Dar dacă nu are niciun fel de masă, cum poate avea impuls?

Ce este impulsul? Impulsul unui corp este o mărime fizică definită ca fiind produsul dintre masă (m) și viteză (v). p = mv


Poate avea spațiul un element constituent fundamental, un fel de „atom spațial”?

Într-un univers „guvernat” de teoria relativității, spațiul nu poate fi discret. Adică nu poate exista o unitate fundamentală a spațiului, cu cea mai mică dimensiune posibilă. Și totul pleacă de la constanța vitezei luminii în toate sistemele de referință - ideea lui Einstein care a revoluționat fizica.

Faptul că viteza luminii este constantă în orice sistem de referință are, printre altele, următoarea consecință: spațiul și timpul trebuie să se „adapteze”, însemnând că, în fapt, corpurile aflate în mișcare se scurtează, iar timpul se dilată (pentru un observator).

Întrebarea din titlul articolului este insuficient explorată pentru a veni cu răspuns în acest articol. Vrem doar să enunțăm problema, să explicăm pe scurt contextul, și să vă auzim opiniile. Poate vom reveni cu un alt articol, după ce vom analiza mai bine subiectul.

Iată de la ce plecăm:
1. Nimic nu se deplasează cu o viteză mai mare decât viteza luminii în univers.
2. Există totuși o excepție, cred unii fizicieni... Dat fiind că universul este în expansiune (spaţiul se dilată), luând în calcul distanţele mari din univers, este de înţeles că sunt corpuri cereşti care se deplasează faţă de alte corpuri cereşti, aflate la mare distanţă de primele, cu viteze care depăşesc viteza luminii. 


Masa curbează spațiut-timpul. Credit: Mark Garlick / Science Source

Am scris un articol în urmă cu câteva săptămâni în care am arătat un aspect complet contraintuitiv: că accelerația unui corp într-un câmp gravitațional nu este reală.

În esență, dacă nu vreți să citiți tot articolul, spuneam următoarele:
:: asupra unui corp aflat în cădere liberă într-un câmp gravitațional (spațiu-timpul este distorsionat de masă şi energie), nu acționează nicio forță.
:: accelerația de care vorbim atunci când spunem că un corp lăsat să cadă spre sol va evolua cu o accelerație de 9,8 ms2 - există doar în raport cu suprafața terestră, dar nu este o accelerație propriu-zisă, adică una care ar fi simțită de corpul aflat în cădere. În lipsa rezistenței aerului - tot ce vei simți va fi senzația de imponderabilitate. Este ceea ce simt astronauții de pe Stația Spațială Internațională.
:: principiul echivalenței al lui Albert Einstein este soluția la acest mister: efectele gravitaţiei şi ale acceleraţiei sunt imposibil de diferenţiat.
:: corpurile aflate în într-un spaţiu-timp curbat de masă/energie par să se mişte accelerat, dar acestea se află, în fapt, într-o mişcare neaccelerată, urmând liniile geodezice din spaţiu-timp, specifice zonei din univers în care se află.


Distribuţia materiei într-o secţiune cubică a universului. Fibrele albastre reprezintă materia (în cea mai mare parte - materie întunecată), iar regiunile goale reprezintă vidurile cosmice.

Atunci când porneşte trenul, simţi inerţie, căci corpul tău tinde să rămână în aceeaşi poziţie, statică, iar trenul a început să se mişte. Este o senzaţie pe care o cunoaştem cu toții. Dar de ce stau lucrurile astfel? Inerţia nu se manifestă doar pe suprafaţa terestră, ci oriunde în univers. Cauza inerţiei, deşi nu a fost una dintre temele de cercetare prioritare în fizică, a fost subiect de reflecţie pentru mari fizicieni, precum Ernst Mach ori Albert Einstein.

Gaură neagră
O imagine artistică pentru „orizontul evenimentului” unei găuri negre.
Credit: Victor de Schwanberg/Science Photo Library

Din câte ne-am dat seama de-a lungul anilor, două idei din teoria relativităţii a lui Einstein sunt explicate greşit, cu preponderenţă: 1) ideea că un corp, cu cât i se măreşte viteza, cu atât va avea masa mai mare, şi va fi nevoie de o energie infinită pentru a-l accelera până la viteaza luminii; 2) paradoxul gemenilor (practic nu există o abordarea coerentă nici astăzi cu privire la acest paradox; matematica funcţionează, dar fizicienii au versiuni diferite când e vorba să explice cum anume apare diferenţa de timp dintre gemeni).

 

Să ne imaginăm că Pământul nu ar avea atmosferă (eliminăm, așadar, forța de frecare) și ați păși în gol de pe un turn înalt de 10 km. Ce s-ar întâmpla? Probabil răspunsul cel mai prezent la întrebare ar fi: „cad către sol cu o accelerație de 9,8 ms2”. Accelerația pare a fi o chestiune indiscutabilă, dar, în fapt, așa cum a arătat Einstein, această accelerație nu este reală. Nu, corpul tău nu experimentează nicio accelerație. Iată de ce.


Curbarea spaţiu-timpului de către Terra. Credit: Mark Garlick / Science Source

Mulți oameni de-a lungul istoriei au crezut că Pământul trebuie să fie plat. Unii încă mai cred asta! Cei mai mulți dintre noi acceptăm că Pământul este o sferă uriașă (cu aproximaţie). Totuși, ideea Pământului plat a funcționat destul de bine, deoarece este aproape plat la scară umană. Privit de aproape, un spațiu curbat va părea plat, așa că știm încă ce este o linie dreaptă. Putem să ne mișcăm puțin pe o linie dreaptă, apoi să ne oprim. Uită-te din nou și avem o altă linie dreaptă pe care să o urmăm în aceeași direcție. Făcând în repetat acești mici pași, vom ajunge să avem o linie lungă. Acest tip de linie se numește linie geodezică și este cel mai apropiat lucru de o linie dreaptă pe care îl putem găsi într-un spațiu curb.


Materia curbează spaţiu-timpul, iar spaţiu-timpul curbat dictează mişcarea materiei în univers. credit: LIGO/T. Pyle

Ideea lui Einstein a fost că gravitația nu este o forță, ci este, în fapt, un efect generat de curbura spaţiu-timpului. Materia curbează spațiu-timpul în vecinătatea sa, iar această distorsiune afectează, la rându-i, modul în care materia se mișcă în univers. Aceasta înseamnă că, potrivit lui Einstein, spațiul și timpul sunt reactive. Ele se deformează în prezența materiei și a tuturor tipurilor de energie.

Einstein a numit teoria sa „relativitatea generală”, deoarece este o generalizare a teoriei relativității speciale. Ambele se bazează pe „independența observatorului”, adică ideea că legile naturii nu ar trebui să depindă de mișcarea unui observator. Diferența dintre relativitatea generală și relativitatea specială este că în relativitatea specială spațiu-timpul este plat, ca o foaie de hârtie, în timp ce în relativitatea generală poate fi curbat.


Prima imagine a unei găuri negre. Imaginea nu este o fotografie, ci a fost creată cu ajutorul a multiple telescoape în cadrul proiectului EHT

Găurile negre exercită o mare fascinație deopotrivă asupra specialiștilor, simplilor iubitori de știință ori curioșilor din toată lumea. Ideea existenței unei regiuni din spațiu cu caracteristici atât de neobișnuite, cum ar fi existența unei linii (orizontul evenimentelor) care, odată trecute, nici lumina nu mai poate scăpa, ori care ar în centru o singularitate (un punct unidimensional care conţine o masă enormă într-un punct infinit de mic din spaţiu-timp) este spectaculoasă. Dar subiectul găurilor negre este însoțit de nenumărate mituri. Iată patru mituri privind găurile negre.

Să ne imaginăm că săpăm un tunel prin centrul Pământului, unind două părţi diametral opuse ale planetei. Lungimea acestui tunel, dacă ne imaginăm că unim cei doi poli, unde raza este un pic mai mică decât la ecuator, va fi de circa 12.700 km. Pentru a simplifica lucrurile, trebuie să ne imaginăm că eliminăm inclusiv aerul din tunel, pentru ca un corp care va călători în tunelul nostru (cum ar fi un tren gravitaţional al viitorului) să nu întâmpine frecarea cu aerul.


Harta câmpului gravitaţional al Terrei (Potsdam Gravity Potato)
Sateliţii GRACE şi CHAMP au fost folosiţi pentru a crea harta câmpului gravitaţional al Terrei. După cum se poate observa, sunt diferenţe între diversele părţi al suprafeţei terestre. De unde aceste diferenţe? Cauze posibile sunt: distribuţia neuniformă a masei în oceane, continente ori în interiorul Pământului, printre altele.

Ideea acestui articol a venit de la o nemulţumire privind modul clasic în care este vizualizată, de regulă, curbura spaţiu-timpului. Şi propunem o nouă modalitate de vizualizare care, sperăm, este mai intuitivă. Ca să fie clar de la început: ambele variante, cea clasică şi cea propusă aici, sunt, în mod limpede, doar aproximări; nimeni nu ştie să vizualizeze lumea în 4 dimensiuni, spaţiu-timpul. Întrebarea este dacă varianta pe care o propunem este mai utilă în încercarea de a înţelege mişcarea obiectelor în spaţiu-timp.

 

Unul dintre cele mai contraintuitive aspecte ale universului nostru, şi din acest motiv larg dezbătute şi combătute de către pasionaţii de ştiinţă, este următorul: de ce nu putem călători cu viteze superioare vitezei luminii? Viteze superluminice ar putea permite călătorii în alte galaxii într-un timp rezonabil, de exemplu. Răspunsul cel mai adesea oferit de fizicieni în materiale de popularizare este: pentru că orice corp care se apropie de viteza luminii are nevoie de energie din ce în ce mai mare, iar, la limită, are nevoie de energie infinită pentru a atinge viteza luminii. Pus în context relativist, specialiştii în teoria relativităţii au însă opinii diferite.


Aceasta este o vizualizare a discului de acreţie şi a jeturilor de materie din proximitatea unei găuri negre. Vizualizarea este una bazată pe predicţiile teoriei relativităţii generale.

Acum mai bine o sută de ani (1915) Albert Einstein a propus teoria generală a relativităţii, care propune o abordare radical diferită a gravitaţiei. Una dintre predicţiile cele mai extreme ale relativităţii generale este existenţa găurilor negre. Iată în continuare câteva videoclipuri, realizate pe baza teoriei lui Einstein, care arată ce ai vedea dacă ai cădea într-o gaură neagră. Găurile negre sunt de mai multe feluri, caracterizate de masă, sarcină electrică şi spin; vă prezentăm ce aţi vedea pe când v-aţi prăbuşi în două tipuri de găuri negre, gaura neagră Schwarzschild şi gaura neagră Reissner-Nordström.


Materia curbează spaţiu-timpul, iar spaţiu-timpul curbat dictează mişcarea materiei în univers. credit: LIGO/T. Pyle

Spaţiu-timpul, aşa cum îi spune şi numele, pune spaţiul şi timpul împreună, dar nu doar într-o formă convenţională, matematică, ci ca structură fundamentală a universului. Conceptul a fost creat în contextul cristalizării teoriei generale a relativităţii de către Albert Einstein, dar cel care a propus conceptul de spaţiu-timp a fost unul dintre profesorii de matematică a lui Einstein, Hermann Minkowski. Einstein a avut nevoie de câţiva ani pentru a accepta ideea, pe care o credea iniţial inutilă. Ulterior conceptul de spaţiu-timp a devenit fundamental în înţelegerea noii teorii a gravitaţiei conţinută în teoria generală a relativităţii.


Prima imagine a unei găuri negre. Imaginea nu este o fotografie, ci a fost creată cu ajutorul a multiple telescoape în cadrul proiectului EHT

Într-adevăr, fotonii, adică particulele purtătoare ale undelor electromagnetice, se consideră că nu au masă. Un foton se deplasează cu viteza luminii prin spaţiu-timp. Viteza luminii în vid este de 299.792,458 km pe secundă. Fotonii nu experimentează trecerea timpului. Asta înseamnă că nu contează distanţa pe care o parcurge un foton, din punctul de vedere al unui observator extern; pentru foton toată această distanţă este doar un punct, iar toată călătoria care pentru un observator extern poate dura miliarde de ani, din perspectiva fotonului este instantanee. Desigur, foarte ciudat lucru, iar vinovatul principal pentru această complicaţie este nimeni altul de Albert Einstein. Lumea era mai simplă înainte să apară el :).

Generarea undelor gravitaţionale ca urmare a orbitării reciproce a două găuri negre. Reprezentare grafică

Undele gravitaţionale au fost prezise de Einstein în urmă cu un secol, dar de unde vin acestea? Ce tipuri distincte de unde gravitaţionale ar putea exista în cosmos? De ce este aşa dificil să detectăm unde gravitaţionale? Cum funcţionează detectoarele gravitaţionale? Ce obiecte din spaţiul cosmic pot declanşa unde gravitaţionale?


 


Sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()


Contact
| T&C | © 2020 Scientia.ro