Τι είναι η βαρύτητα;

Μας κρατάει στο έδαφος, διατηρεί το φεγγάρι σε τροχιά και είναι υπεύθυνη για τη σταθερότητα των γαλαξιών. Η βαρύτητα ελέγχει τον Κόσμο μας, αλλά τα μυστήρια παραμένουν. Παρακάτω θα εξετάσουμε ό,τι σχετίζεται με τη βαρύτητα αλλά και θα δούμε κάποια ζητήματα, όπως:

  • Υπάρχει η σκοτεινή ύλη;
  • Είναι λανθασμένη η γενική σχετικότητα;
  • Υπάρχουν τα βαρυτόνια ή γκραβιτόνια;
  • Η βαρύτητα μπορεί να ενταχθεί σε μια θεωρία των πάντων;

Το 1666, λέει ο θρύλος, ένας  23-χρονος καθόταν στον κήπο του σπιτιού του στο Woolsthorpe της Αγγλίας και ατενίζοντας πάνω στο φεγγάρι, είδε ένα μήλο να πέφτει από ένα δέντρο στο έδαφος. Θα μπορούσε να υπάρχει μια παγκόσμια δύναμη που θα μπορούσε να εξηγήσει την κίνηση και του μήλου και του φεγγαριού; αναρωτήθηκε.

Ο νεαρός, βέβαια, ήταν ο Ισαάκ Νεύτωνα, και η καθολική δύναμη για την οποία αναρωτήθηκε ήταν η βαρύτητα. Δύο χιλιάδες χρόνια πριν γεννηθεί ο Νεύτωνας, οι  Έλληνες φιλόσοφοι πίστευαν ότι τα "γήινα" αντικείμενα έλκονται προς την φυσική θέση τους, τη Γη. Η ιδέα του Νεύτωνα για τη βαρύτητα έφθασε πέρα από τον πλανήτη μας, ενοποιώντας τους νόμους που διέπουν τη Γη και τον ουρανό για πρώτη φορά.

Ο Νεύτωνας πρότεινε ότι τα αντικείμενα πέφτουν στο έδαφος, λόγω της αμοιβαίας έλξης μεταξύ αυτών και του πλανήτη μας, και ότι η ίδια αρχή αυτής της έλξης εφαρμόζεται σε όλα τα αντικείμενα που έχουν μάζα οπουδήποτε στο σύμπαν. Ο Νεύτωνας ήταν επίσης ο πρώτος που ποσοτικοποίησε τη δύναμη της βαρύτητας μέσω μαθηματικών, θεσπίζοντας τις αρχές πάνω στις οποίες ο Αλβέρτος Αϊνστάιν θα βασιστεί για να κτίσει τη θεωρία της γενικής σχετικότητας, το καθιερωμένο μοντέλο της βαρύτητας που χρησιμοποιείται σήμερα.

Η βαρύτητα αναγνωρίζεται σήμερα ως μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που διέπουν το φυσικό σύμπαν – οι άλλες τρεις είναι: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η οποία συγκρατεί τα ηλεκτρόνια στα άτομα, καθώς και η ισχυρή με την ασθενή πυρηνική δύναμη οι οποίες διέπουν τα υποατομικά σωματίδια. Όμως υπάρχουν πολλά που δεν καταλαβαίνουμε για τη βαρύτητα ακόμη και σήμερα, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου που ταιριάζει σε μια άπιαστη έως τώρα «θεωρία των πάντων» που συνδέει τις τέσσερις δυνάμεις μαζί.

Η βαρύτητα πριν το Νεύτωνα

Η κατανόηση του βάρους από το Νεύτωνα ως ελκτική δύναμη ανάμεσα στα αντικείμενα ήταν σε αντίθεση με τις ιδέες του Αριστοτέλη, ο Έλληνας φιλόσοφος γεννήθηκε το 384 π.Χ.

Αριστοτέλης Αριστοτέλης

Στο σύμπαν του Αριστοτέλη τέσσερα στοιχεία φτιάχνουν την γήινη ύλη – η γη, το νερό, ο αέρας και η φωτιά. Τα στοιχεία διευθετήθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε η γη – το βαρύτερο στοιχείο – να βρίσκεται στο κέντρο μιας σφαίρας που περιβάλλεται από άλλες σφαίρες που περιέχουν το νερό, τον αέρα και στη συνέχεια εξωτερικά τη φωτιά. Η κίνηση των πλανητών σύμφωνα με τη θεωρία οφείλεται ότι τα στοιχεία επιστρέφουν στο φυσικό χώρο τους. Οι φλόγες, για παράδειγμα, ανεβαίνουν ψηλά προς τον ουρανό μακριά από τη Γη προς την σφαίρα τους, και μια πέτρα πέφτει στο έδαφος, επειδή όταν πέφτει ψάχνει για το κέντρο της Γης. Η θεωρία του Αριστοτέλη, για τον φυσικό τόπο και κίνηση επηρέασε την ευρωπαϊκή σκέψη για σχεδόν 2.000 χρόνια.

Γιόχαν Κέπλερ

Κατά τη διάρκεια του 14ου μέσα του 17ου αιώνα, οι θεωρίες της Αναγέννησης υποστηρίχτηκαν από την παρατήρηση και τα μαθηματικά τα οποία αντικατέστησαν τις κλασικές ιδέες σχετικά με το σύμπαν. Ο Johannes Kepler, ένας γερμανός αστρονόμος, πρότεινε ότι ο ήλιος ασκεί μια δύναμη πάνω στους πλανήτες. Η δύναμη αυτή, δήλωσε στο έργο του για τους τρεις νόμους της κίνησης των πλανητών, ελέγχει την ταχύτητα περιστροφής των πλανητών γύρω από τον ήλιο, και ισχύς της είναι ανάλογη με την απόσταση ανάμεσα στον ήλιο και τους πλανήτες.

Γαλιλαίος Γαλιλέι

Ο Ιταλός φιλόσοφος, αστρονόμος και μαθηματικός Γαλιλαίος Γαλιλέι ήταν ο πρώτος που τήρησε στοιχεία των αντικειμένων που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Λίγο μετά το 1600, ο Γαλιλαίος άρχισε να πειραματίζεται με τα κεκλιμένα επίπεδα και τις κυλιόμενες μπάλες. Αν και δεν το ήξερε τότε στην πραγματικότητα σπούδαζε τη βαρύτητα. Τα πειράματα του Γαλιλαίου διέψευσαν όλους τους ισχυρισμούς του Αριστοτέλη: ότι τα βαρύτερα αντικείμενα έπεφταν γρηγορότερα από τα ελαφρότερα. Ο Γαλιλαίος απέδειξε ότι στο κενό όλα τα σώματα πέφτουν με την ίδια ταχύτητα. Τα ελαφρύτερα αντικείμενα, όπως τα φτερά, επιβραδύνονται στον αέρα κι έξω από το κενό λόγω της αντίστασης του αέρα. Επίσης, καθόρισε ότι τα σώματα που πέφτουν επιταχύνονται με σταθερό ρυθμό, που σήμερα ονομάζουμε g. Ακόμη επεξεργάστηκε με ακρίβεια τη τιμή αυτού του ρυθμού στην επιφάνεια της Γης, με μέσο όρο 9,8 μέτρα ανά δευτερόλεπτο στο τετράγωνο, ο δε Νεύτωνας θα χρησιμοποιήσει αυτή τη τιμή στο δεύτερο νόμο της κίνησης του, 50 χρόνια αργότερα.

Ο Νεύτωνας αλλάζει την επιστήμη

Είκοσι χρόνια μετά το περίφημο μήλο του που έπεσε στο έδαφος, ο Νεύτωνας ξεκίνησε τη δημοσίευση του αριστουργήματος του, αποτελούμενο από τρία τμήματα: το Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Στην Principia, όπως είναι γνωστό, εξήγησε ότι όλα τα αντικείμενα έλκονται μεταξύ τους με μια δύναμη που την ονόμασε βαρύτητα.

Ο καθολικός νόμος της βαρύτητας του δήλωνε ότι η δύναμη της βαρύτητας είναι ανάλογη με τις μάζες των δύο σωμάτων που έλκονται μεταξύ τους και είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ τους (Ο Κέπλερ, από την άλλη πλευρά, πίστευε ότι η δύναμη ήταν ευθέως ανάλογη με την απόσταση).

Ο Νεύτωνας εισήγαγε επίσης τους τρεις νόμους της κίνησης του στη Principia. Ο δεύτερος νόμος λέει ότι η δύναμη πάνω σε ένα σώμα σε κίνηση είναι ίση με τη μάζα του σώματος επί την επιτάχυνση του. Η τιμή αυτής της επιτάχυνσης είναι στον τύπο του Γαλιλαίου ως g. Ο Νεύτωνας ήταν πεπεισμένος ότι ο νόμος του εφαρμόζεται στα μήλα, στο φεγγάρι και σε ολόκληρο το σύμπαν, ανεξάρτητα από το αν αυτό ήταν φανερό με γυμνό μάτι. Δύο μικρά βράχια, για παράδειγμα, ελκύουν το ένα το άλλο, αλλά επειδή οι μάζες τους είναι τόσο ασήμαντες, εμείς δεν έχουμε καταλαβαίνουμε αυτή την δύναμη. Αλλά η δύναμη που έλκει η Γη μία πέτρα είναι πολύ εμφανής, λόγω του ότι ο πλανήτης μας έχει πολύ μεγαλύτερη μάζα.

Ο νόμος αυτός πέταξε στα σκουπίδια την τότε κλασική κοσμοθεωρία, η οποία διαιρούσε το σύμπαν στο γήινο και το ουράνιο, και έτσι το θεωρητικό τείχος μεταξύ της Γης και του σύμπαντος γκρεμίστηκε μια για πάντα. Όμως ο ερχομός της καθολικής βαρύτητας δεν ήρθε χωρίς διαμάχη. Πολλοί εκείνη την εποχή ένιωθαν άβολα με τις μεταφυσικές συνέπειες της αόρατης δύναμης που ενεργεί από απόσταση. Σε αυτούς, η έννοια της βαρύτητας φαινόταν κάτι σαν μαγικό ή απόκρυφο.

Johann Gottfried Galle Τον 19ο αιώνα υπολογισμοί που βασίζονταν στο νόμο του Νεύτωνα πρόβλεψαν την ύπαρξη ενός πλανήτη που ασκεί μια βαρυτική δύναμη στον Ουρανό. Και το 
1846 ο γερμανός αστρονόμος Γιόχαν Γκότφριντ Γκάλε ανακάλυψε τον πλανήτη Ποσειδώνα κοντά στην προβλεπόμενη θέση, ενισχύοντας έτσι την ισχύ του νόμου της παγκόσμιας έλξης. Στην πραγματικότητα, η καθολικότητα της βαρύτητας δεν μπορεί ποτέ να αποδειχθεί άμεσα. Ωστόσο, έχει αποδειχθεί αρκετά πειστικά και έτσι είναι ευρέως αποδεκτή.

Όλα είναι Σχετικά

Ο νόμος του Νεύτωνα, ωστόσο, δεν είναι τέλειος, κατά την εξέταση εξαιρετικά μεγάλων αντικειμένων με ισχυρά πεδία βαρύτητας, όπως ο ήλιος, ή αντικείμενα που επιτυγχάνουν ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Η βαρύτητα είναι καθολικός νόμος αλλά αποδεικνύεται ότι είναι επίσης και σχετικιστική.

Urbain Le Verrier Μία από τις πρώτες νύξεις ότι η νευτώνεια φυσική χρειάζεται τροποποίηση ήρθε στα μέσα του 19ου αιώνα, όταν ο Γάλλος μαθηματικός Urbain Le Verrier μελέτησε την ανωμαλία στην τροχιά του Ερμή. Ο Νεύτωνας είχε προβλέψει ότι οι πλανήτες ακολουθούν μια τέλεια, κλειστή έλλειψη γύρω τον ήλιο, αλλά την εποχή του Le Verrier οι φυσικοί γνώριζαν ότι όλες οι τροχιές των πλανητών αλλάζουν ελαφρώς με κάθε περιστροφή, λόγω της βαρυτικής έλξης των άλλων πλανητών στο ηλιακό σύστημα. Η αλλαγή αυτή μετράται στο σημείο της τροχιάς του πλανήτη που βρίσκεται πιο κοντά στον ήλιο, το  περιήλιο.

  Η μετατόπιση αυτή λέγεται μετάπτωση του περιηλίου του πλανήτη, και την οποία οι φυσικοί μπορούσαν να προβλέψουν με τη βοήθεια σχέσεων από την Principia του Νεύτωνα με αρκετά μεγάλη ακρίβεια για κάθε πλανήτη. Επίσης,  μπορούσαν να καθορίσουν με ακρίβεια το ρόλο των άλλων πλανήτες. Αλλά ο Ερμής, ο πλανήτης που βρίσκεται πλησιέστερα προς τον ήλιο, δεν ταίριαζε στο καθιερωμένο μοντέλο του Νεύτωνα.

Η πραγματική μετάπτωση του περιηλίου του Ερμή υπερέβαινε ελαφρώς τις προβλέψεις του Νεύτωνα. Επιστήμονες υπέθεταν ότι ένας ακόμη ανεξερεύνητος πλανήτης, που ονομάστηκε Vulcan, θα μπορούσε να εξηγήσει κάποια μέρα την ανωμαλία αυτή. Ο Vulcan, ωστόσο, δεν ανακαλύφθηκε ποτέ. Και 46 χρόνια αργότερα, το 1915, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν τελικά εξήγησε την απόκλιση του Ερμή κάνοντας μια διόρθωση στην θεωρία του Νεύτωνα.

Στη γενική θεωρία του Αϊνστάιν

Αίνστάιν Στη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν η βαρύτητα δεν είναι δύναμη αυτή καθεαυτή. Αντίθετα είναι το αποτέλεσμα της δράσης της ύλης στον χωροχρόνο, που είναι ο γνωστός τρισδιάστατος χώρος σε συνδυασμό με το χρόνο σε ένα ενιαίο σύστημα. Η θεωρία της γενικής σχετικότητας αναφέρει ότι όλα τα αντικείμενα κάμπτουν το χωροχρόνο γύρω  τους. Όσο μεγαλύτερο είναι το σώμα, τόσο περισσότερο κάμπτεται ο χωροχρόνος. Φανταστείτε ένα μεγάλο φύλλο ελαστικού υλικού. Όταν μια ελαφριά μπάλα του τένις κυλάει σε όλο το φύλλο, θέλει να κινηθεί σε μια ευθεία γραμμή. Αλλά εάν υπάρχει εκεί πάνω στο φύλλο μια βαριά μπάλα του μπόουλινγκ τότε αυτή θα καμπυλώσει το ελαστικό φύλο, οπότε η μπάλα του τένις θα ακολουθήσει μια τροχιά τέτοια που να εισέλθει κάτω στην κοιλότητα και έπειτα θα έρθει πάνω και ούτω καθεξής. μακριά πάλι. Ένας παρατηρητής θα έλεγε ότι οι δύο μπάλες έλκονται μεταξύ τους. Αλλά στην πραγματικότητα, η κίνηση είναι το αποτέλεσμα μιας κάμψης στο χωροχρόνο. Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος δεν έλκονται από τον ήλιο, αλλά αντίθετα ακολουθούν την καμπύλη στο χωροχρόνο – που προκάλεσε ο Ήλιος – γύρω του.

Η θεωρία του Αϊνστάιν προέβλεψε ότι ο χωροχρόνος θα καμπυλώνεται κοντά στον ήλιο, οπότε αφού θα αποκλίνει ελαφρά από τον επίπεδο χωροχρόνο ο Ερμής δεν θα μπορούσε να ακολουθήσει μια κλειστή έλλειψη, όταν η τροχιά του τον έφερνε πιο κοντά στο άστρο μας. Ουσιαστικά, δεν υπάρχει αρκετός χώρος κοντά στον ήλιο για να κάνει μια πλήρη 360 μοιρών κύκλο σε μια τροχιά. Οι υπολογισμοί του Αϊνστάιν για την στρέβλωση του χωροχρόνου συμφωνούσε πλήρως με την ανώμαλη μετατόπιση του περιηλίου του Ερμή. Έτσι, η θεωρία του Αϊνστάιν προέβλεψε σωστά την κίνηση όλων των πλανητών, ακόμη και του Ερμή, όπου η θεωρία του Νεύτωνα δεν ήταν σε θέση να την υπολογίσει.

Η γέννηση της σκοτεινής ύλης

zwicky Μάλλον όμως η γενική σχετικότητα δεν είναι τέλεια, γιατί στις αρχές της δεκαετίας του ’30 ο Ελβετός φυσικός Fritz Zwicky υπολόγισε ότι οι ακτινικές ταχύτητες οκτώ γαλαξιών στον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης, ήταν 400 φορές μεγαλύτερες από αυτήν που αναμενόταν από την βαρύτητα της ορατής ύλης σε αυτούς τους γαλαξίες. Δηλαδή η ταχύτητα τους ήταν 7.000 χιλ. ανά δευτερόλεπτο ως προς εμάς, που σήμαινε ότι θα διαλύονταν εκτός κι αν περιείχαν δεκαπλάσια μάζα από την ορατή.

Η εξήγηση που δόθηκε από τον Zwicky στην εξαίρετη ανακάλυψη του ήταν ότι υπάρχει αυτό που ονόμασε ο ίδιος σκοτεινή ύλη, ή ύλη που δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα αλλά μπορεί να προκύψει έμμεσα από την βαρυτική επίδραση της στην ορατή ύλη.

Vera Στη δεκαετία του ‘70 η Vera Rubin ερευνώντας τον γαλαξία της Ανδρομέδας -περίπου 2,2 εκατομμύρια έτη φωτός από το δικό μας γαλαξία- διαπίστωσε πως τα άστρα της εξωτερικής σπείρας αυτού του Γαλαξία, αντί να κινούνται πιο αργά από τα άστρα των εσωτερικών σπειρών, κινούνται με την ίδια ταχύτητα με αυτά. Η αστρονόμος για ν’ απαντήσει στα πιο πάνω προβλήματα, υπέδειξε πως έπρεπε το 90% των σπειροειδών γαλαξιών να αποτελείται από μια παράξενη, εξωτική, σκοτεινή ύλη που σαν άλω ή σαν περίβλημα εμποδίζει την εσωτερική σπείρα της Ανδρομέδας, να διασπαστεί.

Ομοίως ο γαλαξίας της Ανδρομέδας έρχεται προς το μέρος μας, με ταχύτητα περίπου 200.000 μιλίων την ώρα. Αυτό συμβαίνει μόνο με την επίδραση της βαρυτικής έλξης. Η μάζα όμως που παρατηρούμε δεν είναι αρκετά μεγάλη για να ασκήσει μια τέτοια έλξη. Η μάζα αυτή λοιπόν που λείπει, πρέπει να βρίσκεται στο χώρο μεταξύ των δύο γαλαξιών, και εκτιμάται ότι είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του γαλαξία μας, με τη μορφή της ‘σκοτεινής ύλης’.

Bullet Cluster

Επιστήμονες ανίχνευσαν το 2006 το Σμήνος Bullet, δύο γαλαξίες που υπό συγχώνευση – 3.4 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακρυά. Η κατανομή του αερίου του, η ορατή μάζα καθώς και η θεωρητική σκοτεινή ύλη είναι συνεπείς με την υπόθεση της σκοτεινής ύλης.

Η σκοτεινή ύλη, ωστόσο, δεν έχει ποτέ παρατηρηθεί άμεσα, και λειτουργεί αποκλειστικά ως ένα επεξηγηματικό μοντέλο για να συμβιβάσει την συμπεριφορά όλης της ορατής ύλης με τους καθιερωμένους νόμους της βαρύτητας.

Τροποποίηση της βαρύτητας

Mordehai_Milgrom Παρόλο που η σκοτεινή ύλη έχει γίνει δεκτή από τους περισσότερους επιστήμονες ως μέρος του καθιερωμένου μοντέλου της βαρύτητας, έχει συναντήσει τον σκεπτικισμό ορισμένων. Μερικοί δηλαδή έχουν προτείνει τροποποιήσεις του νόμου της βαρύτητας του Νεύτωνα καθώς και της θεωρίας του Αϊνστάιν, εξαλείφοντας με αυτό τον τρόπο την ανάγκη για την παρουσία της σκοτεινής ύλης.

Το 1983, ο φυσικός Mordehai Milgrom του Ινστιτούτου Επιστημών  του Ισραήλ, δημοσίευσε μια τροποποίηση στο νόμο της επιτάχυνσης του Νεύτωνα στην προσπάθεια του να εξηγήσει πώς οι συγκρατιούνται οι γαλαξίες χωρίς την επίκληση της σκοτεινής ύλης. Η θεωρία του, η Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική ή MOND, αναφέρει ότι η δύναμη της βαρύτητας · γίνεται στην πραγματικότητα ισχυρότερη όταν η επιτάχυνση ή g πέφτει κάτω από ένα ορισμένο κρίσιμο επίπεδο σε απίστευτες αποστάσεις. Σύμφωνα με τη MOND, αυτή η επιπλέον δύναμη της βαρύτητας συγκρατεί τους γαλαξίες μαζί κι όχι κάποια σκοτεινή ύλη.

Η MOND, επίσης, έχει τροποποιηθεί από φυσικούς, από τότε που δόθηκε στη δημοσιότητα. Πρόσφατα, το 2006, ο φυσικός John Moffat του Πανεπιστημίου του Τορόντο εισήγαγε μια δική του τροποποιημένη θεωρία βαρύτητας (MOG). η οποία εισάγει μια πέμπτη καθολική δύναμη που είναι υπεύθυνη για την ασύμμετρη συμπεριφορά του σύμπαντος, αντί της σκοτεινής ύλης. Η MOND όμως ήταν αρκετά επιτυχημένη στην εξήγηση της γαλαξιακής δυναμικής (σε μερικές περιπτώσεις, ακόμα καλύτερα και από το παράδειγμα της σκοτεινής ύλης), αλλά απέτυχε εντελώς να εξηγήσει άλλες παρατηρήσεις, ειδικότερα του βαρυτικού εστιασμού.

Κατά τη δεκαετία του ‘80 επιστήμονες παρατήρησαν πως κάθε χρόνο τα δύο διαστημόπλοια Pioneer 10 και 11 βρίσκονται 5.000 χιλιόμετρα περίπου πίσω από τις αναμενόμενες θέσεις τους που βασίζονται στη θεωρία βαρύτητας, που μας κάνει να αναρωτιόμαστε για το αν καταλαβαίνουμε σωστά τους νόμους της φυσικής.

Το 2004 ο Jacob Bekenstein ανακοίνωσε μια νέα θεωρία (Σχετικιστική Συμμεταβλητή Θεωρία της Βαρύτητας TeVeS), την οποία βάσισε στη MOND, για το ηλιακό μας σύστημα ενσωματώνοντας δύο γεωμετρίες: μία που αντιστοιχεί στην παρουσία της μάζας και μία δεύτερη που καθορίζει την κίνηση των κινούμενων σωμάτων. 2006

Η συντριπτική πλειοψηφία των επιστημόνων, πάντως, στέκεται πίσω από την σκοτεινή ύλη, και είναι αισιόδοξοι ότι μπορούν να αποδείξουν την παρουσία της με την ανίχνευση των σωματιδίων της άμεσα. Ένα τέτοιο πρότζεκτ διεξάγεται στο Εργαστήριο Fermi στο Ιλλινόις, όπου οι επιστήμονες προσπαθούν να ανιχνεύσουν σωματίδια της σκοτεινής ύλης με ευαίσθητους ανιχνευτές που βρίσκονται μισό μίλι κάτω από το έδαφος.

Έρευνα για την ακρίβεια της Γενικής Σχετικότητας

Η ίδια η Γενική Σχετικότητα επίσης εξετάζεται από τη NASA και το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ με τη βοήθεια του Gravity Probe B (GP-B), ενός δορυφόρου που χρησιμοποιεί υπερευαίσθητα γυροσκόπια για να μετρούν πως ο χωροχρόνος καμπυλώνεται γύρω από τη Γη. Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ότι ο χωροχρόνος γύρω από τη Γη στρεβλώνει (περιτυλίγεται), εξ αιτίας της μάζας του πλανήτη και συστρέφεται λόγω της ιδιοπεριστροφής της σε σχέση με τον χωροχρόνο μακριά από τη Γη. Αν ο Αϊνστάιν έχει δίκιο, τότε τα γυροσκόπια του δορυφόρου GP-B θα αλλάξουν κλίση (προσανατολισμό) αντανακλώντας έτσι την στρέβλωση του χωροχρόνου κοντά στη Γη. Αυτό το φαινόμενο προβλέπεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και μετρήθηκε για πρώτη φορά το 1988. Προβλέπει δε ότι η γήινη μάζα αφήνει ένα κοίλωμα στον χωροχρόνο που θα πρέπει να προκαλεί μια κλίση σε κάθε γυροσκόπιο κατά 0.0018 μοίρες, ή 6.606 δευτερόλεπτα, κατά τη διάρκεια ενός έτους. Το διαστημικό σκάφος GP-B μέτρησε αυτήν την επίδραση με μια ακρίβεια 1 προς 10.000.

Πλήρη όμως αποτελέσματα δεν αναμένονται πριν από το επόμενο έτος. αλλά μέχρι στιγμής. τα ευρήματα είναι συνεπή με τη θεωρία του Αϊνστάιν,

Βαρυτόνιο: Το χαμένο σωματίδιο της βαρύτητας

Οι κβαντικοί φυσικοί ελπίζουν κάποια μέρα να συνδυάσουν τη βαρύτητα της μεγάλης κλίμακας (γενική σχετικότητα) με τη βαρύτητα του υποατομικού επιπέδου (κβαντομηχανική) σε μια ενοποιημένη κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Υποθέτουν ότι η δύναμη της βαρύτητας μεταφέρεται μέσω της ανταλλαγής κάποιων υποθετικών σωματιδίων που ονομάζονται γκραβιτόνια ή βαρυτόνια. Στο καθιερωμένο μοντέλο της κβαντικής φυσικής, οι τρεις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις μεταφέρονται από στοιχειώδη σωματίδια – γκλουόνια για την ισχυρή δύναμη, W και Z μποζόνια για την ασθενή δύναμη, και φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη.

Το πρόβλημα είναι ότι οι φυσικοί δεν έχουν δει ποτέ κανέναν βαρυτόνιο και μπορεί να μην δουν ποτέ κανένα. Η βαρύτητα είναι η πιο ασθενής θεμελιώδης δύναμη, καθιστώντας έτσι τρομερά δύσκολη την ανίχνευση τους. (Στις μικρές κλίμακες της απόστασης η ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης είναι 1040 φορές πιο ισχυρή από όσο η βαρυτική δύναμη). Ένας επιταχυντής αρκετά μεγάλος για να ανιχνεύσει τα γκραβιτόνια θα πρέπει να έχει το μέγεθος του Δία. Μέχρι να ανιχνευτούν τα σωματίδια της βαρύτητας, δεν μπορεί να γραφτεί καμιά θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Εξίσου φευγαλέα είναι μια «θεωρία των πάντων» που θα συνδέει τις τέσσερις δυνάμεις της φύσης.

Ο Αϊνστάιν πρόβλεψε ότι τα βαρυτικά κύματα – κυματισμοί στο χωροχρόνο που δημιουργούνται από την επιτάχυνση των πολύ μεγάλων αντικειμένων-, μπορεί κάποια μέρα να βρεθούν. Προς αυτή την κατεύθυνση ένα συμβολόμετρο με λέιζερ που ονομάζεται LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) αναζητά τα βαρυτικά κύματα από τις δύο άκρες (δοκοί) του οργάνου: η μία είναι στην Ουάσινγκτον και η άλλη άκρη στη Λουιζιάνα. Τα βαρυτικά κύματα που θα περάσουν μέσα από το LIGO, θα διαταράξουν ελαφρώς τις μεταξύ τους θέσεις των δύο δοκιμαστικών μαζών. Η κίνηση αυτή περιμένουμε να ανιχνευτεί από δύο ακτίνες λέιζερ που θα αναπηδήσουν μεταξύ των δύο μαζών: Αν οι μάζες κινηθούν, τότε οι δοκοί θα είναι εκτός φάσης μεταξύ τους, δημιουργώντας έτσι ένα φαινόμενο συμβολής.

Το Νοέμβριο του 2009 ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN θα εξετάσει την ιδέα των πρόσθετων διαστάσεων. Τα θεωρητικά σωματίδια  της βαρύτητας, τα βαρυτόνια, ίσως μπορέσουμε να τα βρούμε σε αυτές τις περιτυλιγμένες αόρατες διαστάσεις, εξηγώντας μας γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής δύναμη.

Προς το παρόν, οι ενοποιητικές θεωρίες της βαρύτητας παραμένουν αχνές στο μάτι ενός φυσικού της κβαντομηχανικής.

Πηγή: Science Illustrated (αμερικανική έκδοση Σεπτεμβρίου 2009) και παλιά άρθρα 

1. Σκιές πάνω από τη θεωρία της βαρύτητας

2. 90 χρόνια της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν

3. Η αποστολή Gravity Probe B για την επιβεβαίωση της Γενικής Σχετικότητας

4. Μήπως ήρθε η εποχή για να εξεταστεί λεπτομερώς η θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα;

About these ads

Σχολιάστε

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logo

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Log Out / Αλλαγή )

Twitter picture

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Log Out / Αλλαγή )

Facebook photo

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Log Out / Αλλαγή )

Google+ photo

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Log Out / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s