Гравитацията е силата на привличане между телата в следствие на тяхната маса. Масата на дадено тяло е неговото количество материя. Поради гравитацията, обектите в близост до Земята падат към нейната повърхност. Обект, който вече е на повърхността, изпитва притискане надолу поради гравитацията. Ние чувстваме тази сила като тегло. Гравитацията държи горещите газове, които образуват нашето слънце и придържа планетите в техните орбити около него.
Хората не са разбирали гравитацията в продължение на векове. Преди 2300 години древногръцкият мислител Аристотел е мислел, че тежките тела падат по-бързо от леките. Хората са приемали тази грешна концепция чак до началото на 16 ти век, когато Галилео Галилей я поправя. Според Галилео всички тела се ускоряват еднакво, освен ако въздушното съпротивление не е различно или не им влияе някаква друга сила. Ускорението е темпото, с което се изменя скоростта на дадено тяло. Така ако пуснем леко и тежко тяло от високо едновременно и двете тела ще достигнат земната повърхност в едно и също време.
Закона на Нютон за гравитацията
Още древните астрономи са измервали движението на Луната и планетите на небето. Обаче никой не е могъл да обясни тяхното движение до началото на 1600-те. Тогава английският учен Исак Нютон описва връзката между движението на планетите и земната гравитация.
През 1665 г., когато Нютон бил на 23 години, падаща ябълка го накарала да се замисли, колко далече стига гравитацията. Нютон обяснява своето откритие през 1687 г. в труд, наречен Philosophiae naturalis principiama the matica (Математически принципи на естествената философия). Използвайки закони за движението на планетите, открити от немския астроном Йоханес Кеплер, Нютон обяснява как слънчевата гравитация намалява с отдалечаване от слънцето. Тогава той приема, че земната гравитация също намалява с отдалечаване от Земята. Нютон знаел, че земната гравитация държи луната в нейната орбита и изчислил силата й чрез разстоянието до Луната. Така той изчислил каква е силата на повърхността на Земята. Полученият резултата бил същия, като този, изведен при изчисляване на ускорението на падащата ябълка.
Нютон казва, че гравитационната сила между две тела е правопропорционална на техните маси. Колкото е по-голяма масата на двете тела, толкова е по-голяма силата им на привличане. Закона още казва, че гравитационната сила е обратно пропорционална на разстоянието между двете тела, умножено по себе си. Например, ако разстоянието между две тела се увеличи двойно, гравитационната им сила ще намалее четворно.Закона на Нютон за гравитацията е където F е гравитационната сила между два обекта, m1и m2 са техните маси, а d2 е разстоянието между тях на квадрат.
До началото на миналия век, учените са наблюдавали само едно движение, което не може да се опише със закона на Нютон – вариация в орбитата на планетата Меркурий около слънцето. Орбитата на Меркурий, както и на другите планети, е елипсовидна. Слънцето не е точния център на елипсата. Но положението на най-близката точка до слънцето се променя всеки път, когато Меркурий направи една обиколка около него. Астрономите наричат тази вариация прецесия.
Учените използвали закона на Нютон, за да изчислят прецесията, но полученият резултат се различавал от наблюдаваната прецесия.
Теорията на Айнщайн за гравитацията
През 1915 година, родения в Германия физик, Алберт Айнщайн публикува своята теория за пространство, време и гравитация – общата теория на относителността. Тази теория напълно променя начина на мислене научените, когато става дума за гравитация. Обаче тя допълва закона на Нютон, вместо да му се противопоставя.
В много случаи теорията на Айнщайн поражда само малки разлики в сравнение със законите на Нютон. Например, когато Айнщайн изчислил орбитата на Меркурий, използвайки своята теория, отговора съвпаднал точно с наблюденията на астрономите. Това е първото доказателство за верността на теорията на Айнщайн.
Айнщайн базира теорията си на две предположения. Първото е свързано с времепространството, а второто е правилото за принципа на равнозначността.
Времепространство
В сложната математика на относителността времето и пространството не са напълно отделни неща. Физиците ги комбинират във времепространство –комбинация от времето и трите пространствени измерения – дължина, ширина и височина. Айнщайн предполага, че материята и енергията могат да изкривяват времепространството, а гравитацията е ефект на изкривяванията.
Според принципа на равнозначността, ефектите породени от гравитацията са равнозначни на ефектите породени от ускорението. За да разберете този принцип, представете си, че сте в космически кораб, който е толкова отдалечен от планетите и звездите, че на практика не му действа никаква гравитация. Кораба се движи напред, но не се ускорява т.е.кораба се движи с постоянна скорост. Ако извадите топка от кораба и я пуснете, тя няма да се отдалечава. Вместо това, тя ще лети с кораба отстрани на него.
Но представете си, че кораба се ускорява. В този случай топката би започнала да изостава, като чели и действа гравитация.
Предсказания в следствие на основната теория на относителността
През годините изчисляването на орбитата на Меркурий с теорията на Айнщайн съвпадат с наблюденията на няколко обсерватории. Предсказано е и съществуването на черни дупки, гравитационни вълни, превиване на светлина и радио вълни и разширяването на Вселената.
Прегъване на светлинни лъчи
Теорията на Айнщайн предвижда прегъването на светлинни лъчи, когато те преминават край масивни обекти. Прегъването ще се случи, защото тялото изкривява времепространството. Слънцето е достатъчно масивно, за да прегъва осезаемо лъчи и това е потвърдено за първи път по време на слънчевото затъмнение през 1919 година.
Прегъване и забавяне на радио вълни
Теорията също предвижда, че слънцето прегъва и забавя радио вълни.Учените са измерили огъванията на радио вълни, излъчени от квазари –изключително мощни обекти в центровете на някои галактики.
Изследователите измерили забавяне на радио вълните, минаваща покрай слънцето, които били изпратени от сондите Викинг (от Марс) през 1976 година. Това все още е едно от най-добрите доказателства на теорията на относителността.
Гравитационни вълни
Общата теория на относителността също предполага, че масивни тела, които са в орбита едно около друго (като слънцето и Земята) излъчват вълни енергия, познати като гравитационни вълни. През 1974 година, учените са установили индиректно съществуването на гравитационни вълни, като са наблюдавали обект, познат като двоен пулсар. Двойния пулсар е бързо въртяща се около оста си неутронна звезда, която обикаля около подобна, но невидима звезда. Неутронната звезда е изградена от неутрони, като тези в ядрата на атомите.
Пулсара излъчва два равномерни радио лъча в противоположни посоки. При въртенето на пулсара около оста си, двата радио лъча също се въртят подобно на морски фар. Ако един от лъчите минава периодично през Земята, радиотелескопите го засичат като поредици от пулсове. Чрез наблюдение на промените в пулсовете на бинарната звезда, учените могат да установят орбиталния период на пулсара – времето, за което двете звезди правят една обиколка една около друга.
Наблюдения на пулсара PSR 1913 16 показват че орбиталния му период намалява и астрономите са измерили темпото на намаляване. Учените използвали уравненията от общата теория на относителността, за да изчислят с колко би се редуцирал орбиталния период на звездата, ако тя излъчваше енергия под формата на гравитационни вълни. Изчисленията съвпадат с наблюденията.
Освен това, пулсара напредва в орбитата си около втората звезда. Основната теория на относителността предсказва тази прецесия, като резултатите от наблюденията и изчисленията отново съвпадат.
Черни дупки
Теорията на Айнщайн предвижда съществуването на тела, наречени черни дупки. Черна дупка е област в пространството, където гравитацията е толкова силна, че дори и светлината не може да излезе от нея. Изследователите са открили доста сериозни доказателства, че много масивните звезди се превръщат в черни дупки и че повечето големи галактики имат черни дупки в центровете си.
Разширяване на Вселената
През 1917 година, Айнщайн прилага общата теория на относителността в космологията – изучаването на Вселената като цяло. Теорията предполага, че Вселената или се свива или се разширява. През 1917 г. учените още нямали доказателства, че Вселената се разширява. За да не бъде отхвърлено това твърдение на Айнщайн, той добавя космологична константа в теорията си.
Но през 1929 година, американският астроном Едуин Хъбъл открива, че далечните галактики се отдалечават от Земята и колкото по-далечна е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава от Земята. Хъбъл открива, че Вселената се разширява. Тогава Айнщайн изоставя своята константа и я нарича най-голямата си грешка.
Откритието на Хъбъл, както и други научни открития, довеждат до създаването на теорията за Големия взрив и началото на Вселената. Според теорията, Вселената се родила с гореща експлозия – Големия взрив. В началото материята била по-малко от една зрънце, но с времето се разширила и продължава да се разширява.
Тъмна енергия
Въпреки че Айнщайн нарича космологичната си константа най-голямата си грешка, тя може да се укаже най-голямото му откритие. Според измервания от 1998 година, вселената се разширява все по-бързо. И още повече, че скоростта на разширяване се увеличава, както е предположено в теорията на Айнщайн – с космологична константа.
Преди това, астрономите мислели, че разстоянието между галактиките намалява, поради гравитацията им. Измерванията показват че супер нови от далечни галактики са по-слаби от очакваното, следователно разстоянията се увеличават. Но галактиките са толкова далече, че това е възможно само ако отдалечаването е започнало в далечното минало.
Астрономите са заключили, че това се дължи на нещо, което сепротивопоставя на гравитацията. Това нещо може да е космологичнаконстанта, наречена тъмна енергия. Учените все още не са измислилитеории, в които се включва тъмната енергия, но те знаят колко от неявероятно съществува. Количеството на тъмната енергия във Вселената епочти два пъти повече от материята.
Материята във Вселената включва нормалната материя, както и тъмната материя. Учените не знаят състава на тъмната материя. Но измервания на движението на звезди и газови облаци в галактиките карат учените да вярват в нейното съществуване. Тези измервания показват, че масите на галактиките са много по-големи от масите на всички обекти в тях взети заедно. Тези, а и други, наблюдения предполагат, че във Вселената има 30 пъти повече тъмна материя, отколкото нормална, видима материя.
Гравитацията и старостта на Вселената
Други наблюдения показват, че общата теория на относителността е приложима в цялата Вселена. Космолозите са изчислили възрастта на Вселената, използвайки уравненията от теорията на Айнщайн, скоростта на разширяване на Вселената и количествата тъмна материя и тъмна енергия. Изчислената възраст от 14 милиарда години е същата, като получената при използването на два други метода: (1) изчисления на базата на еволюцията на звездите (2) радиоактивното датиране на старите звезди.
Звездна еволюция
При еволюцията на звездите, техните температура и яркост се изменят по добре познат ни начин. Астрономите могат да изчислят възрастта на дадена звезда, измервайки нейната температура и яркост й и след това направят изчисления на базата на техните звездни познания. Чрез тези техники, астрономите са открили, че звездите могат да са на 13 милиарда години, но не и по-стари.
Радиоактивното датиране се базира на факта, че някои химически елементи се разпадат. Изотопи на един елемент се превръщат в изотопи на друг елемент и скоростта на реакцията ни е добре позната.
През 2001 година, учени използвали Европейската южна обсерватория в Чили, използвали метода на радиоактивното датиране, за да определят възрастта на много стара звезда от Млечния път. Учените изследвали изотопа уран 238, чието ядро съдържа 92 протона и 146 неутрона. Учените знаели колко уран би трябвало да е имало по време на формирането на звездата и колко има в момента. Тогава те приложили знанията си за скоростта на радиоактивно полуразпадане и установили, че възрастта на звездата е 12,5 милиарда години, така че Вселената вероятно е по-стара от звездата.
Информацията от следния материал е предоставена от професор Joel R.Primack, преподавател по физика в Калифорнийския университет – Санта Круз. Тя е публикувана в „Книга за света“ на НАСА.
Статията е преведена, оформена и систематизирана от Атанас Кумбаров (kumbarov@gmail.com). Авторските права за материала са собственост на Joel R. Primack. Авторските права за превода са собственост на Атанас Кумбаров.
