Când ne gândim la gravitație, ne gândim de obicei la ea ca la o forță între mase. Când urcați pe un cântar, de exemplu, numărul de pe cântar reprezintă atracția gravitației Pământului asupra masei dumneavoastră, dându-vă greutate. Este ușor să ne imaginăm forța gravitațională a Soarelui, care ține planetele pe orbitele lor, sau atracția gravitațională a unei găuri negre. Forțele sunt ușor de înțeles ca împingeri și trageri.
Dar acum înțelegem că gravitația ca forță este doar o parte a unui fenomen mai complex descris de teoria relativității generale. Deși relativitatea generală este o teorie elegantă, este o îndepărtare radicală de ideea de gravitație ca forță. După cum a spus Carl Sagan, „Afirmațiile extraordinare necesită dovezi extraordinare”, iar teoria lui Einstein este o afirmație foarte extraordinară. Dar se pare că există mai multe experimente extraordinare care confirmă curbura spațiului și a timpului.
Cheia relativității generale constă în faptul că totul într-un câmp gravitațional cade cu aceeași viteză. Stați pe Lună și aruncați un ciocan și o pană, iar acestea vor lovi suprafața în același timp. Același lucru este valabil pentru orice obiect, indiferent de masa sa sau de constituția fizică, iar acest lucru este cunoscut sub numele de principiul echivalenței.
Din moment ce totul cade în același mod, indiferent de masa sa, înseamnă că, fără un punct de referință extern, un observator care plutește liber departe de sursele gravitaționale și un observator în cădere liberă în câmpul gravitațional al unui corp masiv au fiecare aceeași experiență. De exemplu, astronauții din stația spațială au impresia că plutesc fără gravitație. De fapt, atracția gravitațională a Pământului pe stația spațială este aproape la fel de puternică ca la suprafață. Diferența constă în faptul că stația spațială (și tot ce se află în ea) cade. Stația spațială se află pe orbită, ceea ce înseamnă că este literalmente în cădere în jurul Pământului.
Această echivalență între plutire și cădere este cea pe care Einstein a folosit-o pentru a-și dezvolta teoria. În relativitatea generală, gravitația nu este o forță între mase. În schimb, gravitația este un efect al deformării spațiului și timpului în prezența unei mase. Fără o forță care să acționeze asupra sa, un obiect se va deplasa în linie dreaptă. Dacă trageți o linie pe o foaie de hârtie și apoi răsuciți sau îndoiți hârtia, linia nu va mai părea dreaptă. În același mod, traiectoria dreaptă a unui obiect este curbată atunci când spațiul și timpul sunt curbate. Astfel se explică de ce toate obiectele cad cu aceeași viteză. Gravitația deformează spațiu-timpul într-un mod special, astfel că traiectoria dreaptă a tuturor obiectelor este curbată în același mod în apropierea Pământului.
Atunci ce fel de experiment ar putea dovedi că gravitația este spațiu-timp deformat? Unul derivă din faptul că lumina poate fi deviată de o masă aflată în apropiere. Se argumentează adesea că, din moment ce lumina nu are masă, ea nu ar trebui să fie deviată de forța gravitațională a unui corp. Acest lucru nu este chiar corect. Deoarece lumina are energie, iar prin relativitatea specială masa și energia sunt echivalente, teoria gravitațională a lui Newton prezice că lumina ar fi ușor deviată de o masă din apropiere. Diferența este că relativitatea generală prezice că va fi deviată de două ori mai mult.
Efectul a fost observat pentru prima dată de Arthur Eddington în 1919. Eddington a călătorit pe insula Principe de pe coasta Africii de Vest pentru a fotografia o eclipsă totală. El făcuse fotografii ale aceleiași regiuni a cerului cu ceva timp înainte. Comparând fotografiile eclipsei și fotografiile anterioare ale aceluiași cer, Eddington a reușit să arate că poziția aparentă a stelelor s-a deplasat atunci când Soarele se afla în apropiere. Cantitatea de deviere a fost de acord cu Einstein, și nu cu Newton. De atunci, am observat un efect similar în cazul în care lumina quasarilor și a galaxiilor îndepărtate este deviată de masele mai apropiate. Acesta este adesea denumit lentilă gravitațională și a fost folosit pentru a măsura masele galaxiilor și chiar pentru a vedea efectele materiei întunecate.
O altă dovadă este cunoscută sub numele de experimentul cu întârziere în timp. Masa Soarelui deformează spațiul din apropierea acestuia, prin urmare lumina care trece pe lângă Soare nu se deplasează pe o linie perfect dreaptă. În schimb, ea călătorește de-a lungul unei traiectorii ușor curbate care este puțin mai lungă. Acest lucru înseamnă că lumina provenită de pe o planetă aflată de cealaltă parte a sistemului solar față de Pământ ajunge la noi un pic mai târziu decât ne-am aștepta altfel. Prima măsurare a acestei întârzieri a fost realizată la sfârșitul anilor 1960 de către Irwin Shapiro. Semnale radio au fost reflectate de pe Venus de pe Pământ atunci când cele două planete se aflau aproape de părți opuse ale Soarelui. Întârzierea măsurată a călătoriei dus-întors a semnalelor a fost de aproximativ 200 de microsecunde, exact așa cum prezice relativitatea generală. Acest efect este acum cunoscut sub numele de întârzierea temporală Shapiro și înseamnă că viteza medie a luminii (determinată de timpul de călătorie) este ușor mai mică decât viteza instantanee (întotdeauna constantă) a luminii.
Un al treilea efect este reprezentat de undele gravitaționale. Dacă stelele deformează spațiul din jurul lor, atunci mișcarea stelelor într-un sistem binar ar trebui să creeze ondulații în spațiu-timp, similar cu modul în care rotirea degetului în apă poate crea ondulații pe suprafața apei. Pe măsură ce undele gravitaționale radiază dinspre stele, ele scot o parte din energia sistemului binar. Acest lucru înseamnă că cele două stele se apropie treptat, un efect cunoscut sub numele de inspirație. Pe măsură ce cele două stele inspiră, perioada lor orbitală devine mai scurtă, deoarece orbitele lor devin mai mici.
Pentru stelele binare obișnuite acest efect este atât de mic încât nu îl putem observa. Cu toate acestea, în 1974, doi astronomi (Hulse și Taylor) au descoperit un pulsar interesant. Pulsarii sunt stele neutronice care se rotesc rapid și care se întâmplă să emită impulsuri radio în direcția noastră. Frecvența impulsurilor pulsarilor este, de obicei, foarte, foarte regulată. Hulse și Taylor au observat că ritmul acestui pulsar particular se accelerează ușor, apoi încetinește ușor într-un ritm regulat. Ei au arătat că această variație se datorează mișcării pulsarului în timp ce acesta orbita în jurul unei stele. Aceștia au reușit să determine foarte precis mișcarea orbitală a pulsarului, calculându-i perioada orbitală cu o precizie de o fracțiune de secundă. Pe măsură ce au observat pulsarul de-a lungul anilor, au observat că perioada sa orbitală se scurta treptat. Pulsarul se inspiră datorită radiației undelor gravitaționale, exact așa cum s-a prezis.
În cele din urmă, există un efect cunoscut sub numele de frame dragging. Am observat acest efect în apropierea Pământului însuși. Deoarece Pământul se rotește, el nu numai că curbează spațiu-timpul prin masa sa, ci și răsucește spațiu-timpul în jurul său din cauza rotației sale. Această răsucire a spațiu-timpului este cunoscută sub numele de „frame dragging”. Efectul nu este foarte mare în apropierea Pământului, dar poate fi măsurat prin efectul Lense-Thirring. Practic, se pune un giroscop sferic pe orbită și se observă dacă axa sa de rotație se modifică. Dacă nu există o tragere a cadrului, atunci orientarea giroscopului nu ar trebui să se schimbe. Dacă există o tragere a cadrului, atunci răsucirea în spirală a spațiului și a timpului va face ca giroscopul să preceseze, iar orientarea sa se va schimba încet în timp.
Am făcut de fapt acest experiment cu un satelit cunoscut sub numele de Gravity Probe B, iar rezultatele le puteți vedea în figura de aici. După cum puteți vedea, ele concordă foarte bine.
Care dintre aceste experimente arată că gravitația nu este pur și simplu o forță între mase. Gravitația este, în schimb, un efect al spațiului și timpului. Gravitația este încorporată în însăși forma universului.
Gândiți-vă la asta data viitoare când veți urca pe o balanță.
.