Παρά το γεγονός ότι η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη αλληλεπίδραση μεταξύ αντικειμένων στο Σύμπαν, η σημασία της στη φυσική και την αστρονομία είναι τεράστια, καθώς είναι σε θέση να επηρεάσει φυσικά αντικείμενα σε οποιαδήποτε απόσταση στο διάστημα.
Εάν σας αρέσει η αστρονομία, πιθανότατα σκεφτήκατε το ερώτημα τι είναι μια τέτοια έννοια όπως η βαρύτητα ή ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας. Η βαρύτητα είναι μια καθολική θεμελιώδης αλληλεπίδραση μεταξύ όλων των αντικειμένων στο Σύμπαν.
Η ανακάλυψη του νόμου της βαρύτητας αποδίδεται στον διάσημο Άγγλο φυσικό Ισαάκ Νεύτωνα. Πιθανώς, πολλοί από εσάς γνωρίζετε την ιστορία ενός μήλου που έπεσε στο κεφάλι ενός διάσημου επιστήμονα. Ωστόσο, αν κοιτάξετε βαθιά στην ιστορία, μπορείτε να δείτε ότι η παρουσία της βαρύτητας είχε σκεφτεί πολύ πριν από την εποχή του οι φιλόσοφοι και οι επιστήμονες της αρχαιότητας, για παράδειγμα, ο Επίκουρος. Ωστόσο, ήταν ο Νεύτων που περιέγραψε πρώτος τη βαρυτική αλληλεπίδραση μεταξύ φυσικών σωμάτων στο πλαίσιο της κλασικής μηχανικής. Η θεωρία του αναπτύχθηκε από έναν άλλο διάσημο επιστήμονα - τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος στη γενική θεωρία της σχετικότητας περιέγραψε με μεγαλύτερη ακρίβεια την επίδραση της βαρύτητας στο διάστημα, καθώς και τον ρόλο της στο χωροχρονικό συνεχές.
Ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας του Νεύτωνα λέει ότι η δύναμη της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο σημείων μάζας που χωρίζονται από απόσταση είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης και ευθέως ανάλογη και με τις δύο μάζες. Η δύναμη της βαρύτητας είναι μεγάλης εμβέλειας. Δηλαδή, ανεξάρτητα από το πώς κινείται ένα σώμα με μάζα, στην κλασική μηχανική το βαρυτικό του δυναμικό θα εξαρτηθεί καθαρά από τη θέση αυτού του αντικειμένου σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός αντικειμένου, τόσο μεγαλύτερο είναι το βαρυτικό του πεδίο - τόσο πιο ισχυρή είναι η βαρυτική δύναμη που έχει. Τέτοια κοσμικά αντικείμενα όπως οι γαλαξίες, τα αστέρια και οι πλανήτες έχουν τη μεγαλύτερη δύναμη έλξης και, κατά συνέπεια, μάλλον ισχυρά βαρυτικά πεδία.
Πεδία βαρύτητας
Το βαρυτικό πεδίο της Γης
Το βαρυτικό πεδίο είναι η απόσταση εντός της οποίας λαμβάνει χώρα η βαρυτική αλληλεπίδραση μεταξύ των αντικειμένων στο Σύμπαν. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός αντικειμένου, τόσο ισχυρότερο είναι το βαρυτικό του πεδίο - τόσο πιο αισθητή η επίδρασή του σε άλλα φυσικά σώματα μέσα σε ένα συγκεκριμένο χώρο. Το βαρυτικό πεδίο ενός αντικειμένου είναι δυνητικά. Η ουσία της προηγούμενης δήλωσης είναι ότι εάν εισαγάγουμε τη δυνητική ενέργεια έλξης μεταξύ δύο σωμάτων, τότε δεν θα αλλάξει αφού τα τελευταία κινηθούν κατά μήκος ενός κλειστού περιγράμματος. Από εδώ προκύπτει ένας άλλος διάσημος νόμος διατήρησης του αθροίσματος του δυναμικού και της κινητικής ενέργειας σε ένα κλειστό κύκλωμα.
Στον υλικό κόσμο, το βαρυτικό πεδίο έχει μεγάλη σημασία. Διακατέχεται από όλα τα υλικά αντικείμενα στο Σύμπαν που έχουν μάζα. Το βαρυτικό πεδίο μπορεί να επηρεάσει όχι μόνο την ύλη, αλλά και την ενέργεια. Λόγω της επίδρασης των βαρυτικών πεδίων τέτοιων μεγάλων διαστημικών αντικειμένων όπως οι μαύρες τρύπες, τα κβάζαρ και τα υπερμεγέθη αστέρια σχηματίζονται ηλιακά συστήματα, γαλαξίες και άλλα αστρονομικά σμήνη, τα οποία χαρακτηρίζονται από μια λογική δομή.
Τα τελευταία επιστημονικά δεδομένα δείχνουν ότι η περίφημη επίδραση της διαστολής του Σύμπαντος βασίζεται επίσης στους νόμους της βαρυτικής αλληλεπίδρασης. Συγκεκριμένα, η διαστολή του Σύμπαντος διευκολύνεται από ισχυρά βαρυτικά πεδία, τόσο τα μικρά όσο και τα μεγαλύτερα αντικείμενά του.
Βαρυτική ακτινοβολία σε δυαδικό σύστημα
Η βαρυτική ακτινοβολία ή βαρυτικό κύμα είναι ένας όρος που εισήχθη για πρώτη φορά στη φυσική και την κοσμολογία από τον διάσημο επιστήμονα Άλμπερτ Αϊνστάιν. Η βαρυτική ακτινοβολία στη θεωρία της βαρύτητας παράγεται από την κίνηση υλικών αντικειμένων με μεταβλητή επιτάχυνση. Κατά την επιτάχυνση του αντικειμένου, το βαρυτικό κύμα, όπως ήταν, «ξεσπά» από αυτό, γεγονός που οδηγεί σε διακυμάνσεις στο βαρυτικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο. Αυτό ονομάζεται φαινόμενο βαρυτικού κύματος.
Αν και τα βαρυτικά κύματα προβλέπονται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, καθώς και από άλλες θεωρίες της βαρύτητας, δεν έχουν ποτέ εντοπιστεί άμεσα. Αυτό οφείλεται πρωτίστως στην εξαιρετική τους μικρότητα. Ωστόσο, υπάρχουν περιστασιακά στοιχεία στην αστρονομία που μπορούν να επιβεβαιώσουν αυτό το αποτέλεσμα. Έτσι, η επίδραση ενός βαρυτικού κύματος μπορεί να παρατηρηθεί στο παράδειγμα της προσέγγισης δυαδικών αστεριών. Οι παρατηρήσεις επιβεβαιώνουν ότι ο ρυθμός προσέγγισης των δυαδικών αστεριών εξαρτάται σε κάποιο βαθμό από την απώλεια ενέργειας αυτών των διαστημικών αντικειμένων, η οποία πιθανώς ξοδεύεται στη βαρυτική ακτινοβολία. Οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να επιβεβαιώσουν αξιόπιστα αυτήν την υπόθεση στο εγγύς μέλλον με τη βοήθεια μιας νέας γενιάς προηγμένων τηλεσκοπίων LIGO και VIRGO.
Στη σύγχρονη φυσική, υπάρχουν δύο έννοιες της μηχανικής: η κλασική και η κβαντική. Η κβαντομηχανική προήλθε σχετικά πρόσφατα και είναι θεμελιωδώς διαφορετική από την κλασική μηχανική. Στην κβαντομηχανική, τα αντικείμενα (κβάντα) δεν έχουν καθορισμένες θέσεις και ταχύτητες, όλα εδώ βασίζονται στην πιθανότητα. Δηλαδή, ένα αντικείμενο μπορεί να καταλάβει μια συγκεκριμένη θέση στο χώρο σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Είναι αδύνατο να προσδιοριστεί με αξιοπιστία πού θα κινηθεί στη συνέχεια, αλλά μόνο με μεγάλο βαθμό πιθανότητας.
Ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα της βαρύτητας είναι ότι μπορεί να κάμψει το χωροχρονικό συνεχές. Η θεωρία του Αϊνστάιν λέει ότι στο χώρο γύρω από μια δέσμη ενέργειας ή οποιαδήποτε υλική ουσία, ο χωροχρόνος είναι καμπύλος. Κατά συνέπεια, η τροχιά των σωματιδίων που πέφτουν υπό την επίδραση του βαρυτικού πεδίου αυτής της ουσίας αλλάζει, γεγονός που καθιστά δυνατή την πρόβλεψη της τροχιάς της κίνησής τους με υψηλό βαθμό πιθανότητας.
Θεωρίες της βαρύτητας
Σήμερα, οι επιστήμονες γνωρίζουν πάνω από δώδεκα διαφορετικές θεωρίες βαρύτητας. Χωρίζονται σε κλασικές και εναλλακτικές θεωρίες. Ο πιο διάσημος εκπρόσωπος της πρώτης είναι η κλασική θεωρία της βαρύτητας του Ισαάκ Νεύτωνα, η οποία επινοήθηκε από τον διάσημο Βρετανό φυσικό το 1666. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι ένα τεράστιο σώμα στη μηχανική δημιουργεί ένα βαρυτικό πεδίο γύρω του, το οποίο προσελκύει μικρότερα αντικείμενα προς τον εαυτό του. Με τη σειρά τους, τα τελευταία έχουν επίσης ένα βαρυτικό πεδίο, όπως όλα τα άλλα υλικά αντικείμενα στο Σύμπαν.
Η επόμενη δημοφιλής θεωρία της βαρύτητας επινοήθηκε από τον παγκοσμίου φήμης Γερμανό επιστήμονα Άλμπερτ Αϊνστάιν στις αρχές του 20ου αιώνα. Ο Αϊνστάιν κατάφερε να περιγράψει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη βαρύτητα ως φαινόμενο, αλλά και να εξηγήσει τη δράση της όχι μόνο στην κλασική μηχανική, αλλά και στον κβαντικό κόσμο. Η γενική του θεωρία της σχετικότητας περιγράφει την ικανότητα μιας τέτοιας δύναμης όπως η βαρύτητα να επηρεάζει το χωροχρονικό συνεχές, καθώς και την τροχιά των στοιχειωδών σωματιδίων στο διάστημα.
Ανάμεσα στις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας, η σχετικιστική θεωρία, την οποία επινόησε ο συμπατριώτης μας, ο διάσημος φυσικός Α.Α. Λογκούνοφ. Σε αντίθεση με τον Αϊνστάιν, ο Logunov υποστήριξε ότι η βαρύτητα δεν είναι ένα γεωμετρικό, αλλά ένα πραγματικό, αρκετά ισχυρό φυσικό πεδίο δύναμης. Μεταξύ των εναλλακτικών θεωριών της βαρύτητας, είναι επίσης γνωστές οι βαθμωτές, διμετρικές, οιονεί γραμμικές και άλλες.
- Για τους ανθρώπους που έχουν βρεθεί στο διάστημα και επέστρεψαν στη Γη, είναι αρκετά δύσκολο στην αρχή να συνηθίσουν τη δύναμη της βαρυτικής επιρροής του πλανήτη μας. Μερικές φορές χρειάζονται αρκετές εβδομάδες.
- Έχει αποδειχθεί ότι το ανθρώπινο σώμα σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας μπορεί να χάσει έως και 1% της μάζας του μυελού των οστών ανά μήνα.
- Μεταξύ των πλανητών, ο Άρης έχει τη λιγότερη δύναμη έλξης στο ηλιακό σύστημα και ο Δίας τη μεγαλύτερη.
- Τα γνωστά βακτήρια της σαλμονέλας, που είναι η αιτία των παθήσεων του εντέρου, συμπεριφέρονται πιο ενεργά σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας και μπορούν να προκαλέσουν πολύ μεγαλύτερη βλάβη στον ανθρώπινο οργανισμό.
- Μεταξύ όλων των γνωστών αστρονομικών αντικειμένων στο σύμπαν, οι μαύρες τρύπες έχουν τη μεγαλύτερη βαρυτική δύναμη. Μια μαύρη τρύπα στο μέγεθος μιας μπάλας του γκολφ θα μπορούσε να έχει την ίδια βαρυτική δύναμη με ολόκληρο τον πλανήτη μας.
- Η δύναμη της βαρύτητας στη Γη δεν είναι ίδια σε όλες τις γωνιές του πλανήτη μας. Για παράδειγμα, στην περιοχή Hudson Bay του Καναδά, είναι χαμηλότερη από ό,τι σε άλλες περιοχές του πλανήτη.
