Yerçekimi nedir? Doğanın en gizemli gücü

    Yerçekimi olmasaydı biz olmazdık. Bizi Dünya'nın yüzeyinde ve Dünya'yı Güneş'in etrafında yörüngede tutan kuvveti sağlar.

    İlk etapta Güneş Sistemi'nin oluşumundan sorumluydu ve Güneş'teki tüm maddelerin yerçekimi kuvveti, onu sıkıca birbirine çekiyor, nükleer füzyonun gerçekleşmesini mümkün kılıyor, bize ısı ve ışık veriyor.

    Yine de her yerde bulunmasına rağmen, yerçekimi Evrendeki en gizemli güçlerden biridir.

 

Yerçekimi nedir?

    Elektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerin yanı sıra, doğanın dört temel kuvvetinden biri olarak yerçekimi, son derece etkili bir doğal fenomendir.

    Maddenin, eşyanın bir özelliğidir. Özetle: tüm maddeler diğer tüm maddelere çekilir. Ne kadar çok madde varsa ve nesneler birbirine ne kadar yakınsa, çekici kuvvet o kadar büyük olur.

    Ve itebilen veya çekebilen elektrik ve manyetizmanın aksine, yerçekimi her zamannesneleri bir araya getirir.

 

Newton'un yerçekimi teorisi neydi?

Isaac Newton'un Portresi ( 1642 - 1727 )

 

    Isaac Newton, yerçekiminin nasıl çalıştığına dair bir hipotezi olmadığını ünlü olarak belirtti.

    Bunun yerine, onu eylemde tanımlamak için başlangıç ​​noktası, yerçekiminin evrensel olduğu fikriydi - bir elmanın ağaçtan düşmesine neden olan şeyin Ay'ı yörüngede tuttuğu fikriydi.

    Bu kavram, bir astronomik veri koleksiyonu ve bazı akıllı düşünce deneyleri ile Newton, iki nesne arasındaki yerçekimi çekimini yalnızca üç şeyin etkilediğini gösterebildi: her nesnenin kütlesi ve aralarındaki mesafe.

    Bunu asla bu biçimde yazmamış olsa da, teorisi yerçekiminin bir ters kare yasasını izlediğini gösterecekti. Yerçekimi çekişi, iki cismin kütlelerini birbiriyle çarparak ve sonra aralarındaki mesafenin karesine bölerek hesaplanabilir. Bu nedenle, nesnelerin kütleleri arttıkça veya birbirlerine yaklaştıkça çekim kuvveti artar.

    Bu basit ilişki, Ay'ın ve gezegenlerin neredeyse tüm hareketlerini açıklamaya yeterliydi ve NASA'nın, Apollo'nun Ay'a olan görevi için güvenli bir yörünge hesaplaması için ihtiyaç duyduğu tek şey olacaktı.

 

Denklik ilkesi nedir?

    Eşdeğerlik ilkesi, Albert Einstein'ın "en mutlu düşüncesi" olarak tanımladığı şeye dayanmaktadır.

   Bu, “kişi serbestçe düşerse, kendi ağırlığını hissetmeyecektir” idi. Başka bir deyişle, ivme ve yerçekimi tam olarak eşdeğerdir ve ayırt edilemez.

    Bunu Uluslararası Uzay İstasyonu'nda görüyoruz. İstasyonun Dünya'dan yörünge mesafesindeki yerçekimi, yüzeydekinin yaklaşık yüzde 90'ı kadardır - ve yine de astronotlar yüzer.

ISS'deki astronotlar sürekli olarak Dünya'ya doğru düşüyor.

 

    İnsanların orada süzülmelerinin nedeni, sürekli gezegenimize doğru düşmeleridir. Onların Dünya'nın yüzeyine çarpmalarını bekleyebiliriz, ancak aynı zamanda kaybolmaya devam etmek için doğru hızda yana doğru hareket ediyorlar - yörüngede olmak bunu gerektirir.

    Eşdeğerlik ilkesi, bir kişi düştüğünde olduğu gibi hızlanmanın, ağırlığını ortadan kaldırdığını gösterir. Einstein, ivme ve yerçekiminin aslında aynı şey olduğunu önermek için mutlu düşüncesinden bir sıçrama yaptı.

    Ve bu, hem yerçekimi kuvvetini tahmin eden hem de nasıl çalıştığını açıklayan Genel Görelilik Teorisine ilham verdi.

 

Einstein'ın Genel Görelilik kuramı nedir?

    Einstein, denklik ilkesinden yola çıkarak, kütlesi olan cisimlerin - atomdan yıldıza kadar her şeyin - uzayı ve zamanı çarpıttığını gösterebildi.

    Ve Newton'un asla gösteremediği bir şeyi açıklayan bu çarpıklıktı: yerçekiminin neden belli bir mesafeden hareket edebildiğini.

    Mermerlerle çevrili bir trambolin üzerindeki bir basketbol topu gibi, daha büyük nesneler, uzay-zaman dokusunda daha büyük eğrilikler üretir, yakındaki nesneleri çizer ve eğri yörüngelerde hareket etmelerine neden olur. Ancak daha küçük cisimlerin bile bir etkisi vardır - her birimiz etrafımızdaki nesnelere küçük bir yerçekimi kuvveti uygularız.

Albert Einstein

 

    Newton'dan çok farklı bir yaklaşım benimsediği için Einstein, başlangıçta hakkında çok az şey bildiği farklı bir matematik türü kullanmak zorunda kaldı: eğri uzayın matematiği.

    Ve Newton'un varlığından şüphelenmek için hiçbir nedeni olmayan çeşitli ikincil etkileri de hesaba katmak zorundaydı, örneğin yerçekiminin kendi üzerinde bir etkisinin olduğuna dair şaşırtıcı keşif gibi.

    Einstein'ın Genel Görelilik denklemleri, Newton'un denkleminin yaptığı her şeyi yapar, iki cisim arasındaki çekici kuvvetin boyutunu tahmin eder, ancak kütleli herhangi bir şeyin uzay ve zamanı nasıl büktüğünü tanımladıkları için çok daha fazlasını yapabilirler.

 

Einstein Newton'un yanıldığını kanıtladı mı?

    Kesinlikle hayır. Newton'un çalışması açıklayıcıydı: gözlemlenenlere basit bir matematiksel denklem yerleştirdi.

   Matematiği bize yerçekiminin nasıl çalıştığı hakkında hiçbir şey söylemiyor, ancak günlük şeylerin davranışının bir açıklaması olarak çok iyi çalıştı ve hala da ediyor.

Apollo uzay aracını Ay'a götürmek için Newton temelli bir yerçekimi kavrayışı yeterliydi.

 

    Einstein'ın yaptığı şey, yerçekimi olarak tanımladığımız kuvvete neyin sebep olduğunu anlamamıza yardımcı olmaktı.

    Newton denkleminin yeterince iyi bir yaklaşım olmadığı, tipik olarak yerçekiminin çok güçlü hale geldiği belirli durumlar olduğunu gösterebildi.

    Bu durumlarda, daha doğru bir rakam elde etmek için Einstein'ı getirmeliyiz. Ve Einstein, Newton fiziğinin temel işleyişi altında tasavvur bile edilemeyecek tahminler yapmak için de işe yarar.

 

Genel Görelilik için hangi kanıtımız var?

    Genel Görelilik için çok sayıda kanıt var.

    Einstein teorisini ortaya koymadan önce, gökbilimciler Merkür'ün yörüngesinin, Güneş'e en yakın yaklaşım noktasının yavaş yavaş konumunu değiştirdiği, devinim adı verilen bir yönünü açıklamak için uğraşmışlardı. Newton'un denklemleri tam etkiyi açıklayamadı, ancak Einstein'ın çalışması yaptı.

    Dahası, yerçekiminin uzay ve zamandaki bir bükülmeden kaynaklandığı fikri de test edilebilirdi, çünkü bu, ( örneğin ) çok büyük bir cismin yakınından geçen ışığın eğri bir çizgide hareket etmesi gerektiği anlamına geliyordu. vücut yaratır.

Einstein'ın yerçekimi konusunda haklı olduğuna dair ilk kanıt 1919'da bir güneş tutulması şeklinde geldi.

 

    Bu ilk olarak 1919'da tam bir tutulma sırasında ışığın Güneş'in yakınından geçmesiyle gözlendi ve o zamandan beri uzaktaki galaksilerin mercek gibi davranarak arkalarındaki ışık yolunu bükerek görüldü.

    Einstein'ın denklemlerinin tahminlerinden bir diğeri de, büyük bir cismin yakınında olmanın zamanı yavaşlatmasıdır: Bu nedenle, bize uydu navigasyonu veren GPS uydularından gelen sinyali düzeltmemiz gerekiyor.

    Aynı şekilde, Yerçekimi Sondası B adlı bir deney , Einstein'ın öngördüğü gibi, dönen büyük bir cismin, balın içinde dönen bir kaşık gibi, uzay-zamanı kendisiyle birlikte sürüklediğini göstermiştir.

 

Yerçekiminin kara deliklerle ne ilgisi var?

    Einstein'ın teorisinin tahminleri genellikle denklemlerinin basitleştirilmiş versiyonlarını çözmenin sonucudur. En eskilerden biri, tüm maddenin tek bir noktada olduğu sıkıştırılmış bir kütleyi tanımladı - 'yerçekimi tekilliği'.

    Daha sonra, yaşlanan bazı yıldızların yerçekimine karşı koyamayacakları ve böyle bir nokta oluşturmak için kendi içlerine çökerek bir kara delik oluşturmaları gerektiği anlaşıldı . Bir kara delikte yerçekimi o kadar güçlüdür ki ışık bile kaçamaz.

M87 galaksisinin merkezindeki bir kara deliğin ilk fotoğrafı.

 

    Benzer şekilde, Genel Görelilik, Evrenin dokusunun genişleyip büzülebileceğini öngördü. Gözlemlerle birleştiğinde, bu, Evrenin nasıl geliştiğine dair en iyi teorimizin temeli haline geldi: Büyük Patlama modeli.

    Aynı zamanda, Evrenin genişlemesini hızlandırıyor gibi görünen gizemli fenomen olan karanlık enerjiye ışık tutabilecek olan Genel Relativitedir.

 

Yerçekimi dalgaları nelerdir?

    Kütlesi olan bir cisim uzay ve zamanı büker, bu yüzden bu cisim uzayda hızlanırsa, etrafındaki uzay-zamanda dalgalanmalara neden olmalıdır.

    Bu dalgalanmalara yerçekimi dalgaları denir ve dışa doğru hareket eder, tıpkı bir antenin yukarı ve aşağı hızlanan elektronlarının radyo ve televizyonun elektromanyetik dalgalarını oluşturması gibi.

    Einstein'ın Genel Görelilik Teorisini geliştirdikten kısa bir süre sonra öngördüğü yerçekimi dalgaları, her zaman çok sayıda kaynaktan üretilmelidir. Ancak yerçekimi son derece zayıf bir kuvvettir, bu da bu dalgaların tespit edilmesinin son derece zor olduğu anlamına gelir.

Yerçekimi dalgaları – uzay ve zamanın dokusundaki dalgalanmalar.

 

    LIGO deneyi, yerçekimi dalgalarını ilk kez Eylül 2015'te gözlemlediğinde, bu, birleşen iki kara deliğin neden olduğu uzay-zamanda büyük bir bozulmanın sonucuydu.

    LIGO'nun dedektörleri o kadar hassastır ki, geçen arabalardan sahile çarpan uzak dalgalara kadar her türlü titreşimin ortadan kaldırılması gerekir.

    Yerçekimi dalgaları 'Einstein'ın teorisini kanıtladıkları' için değil -bunun için zaten çok sayıda kanıtımız var- ama bize Evreni incelemek için ışığın bile ulaşamadığı ilk yıllarına bakarak bize yeni bir yol sundukları için önemlidir.

 

Genel Görelilik her şeyi açıklıyor mu?

    Neredeyse kesinlikle hayır.

    Genel Görelilik son derece etkilidir ve konu gündelik nesnelerin davranışları hakkında tahminlerde bulunmaya geldiğinde yanlış bir adım atmaz, ancak birkaç koşul vardır - özellikle bir kara deliğin kalbinde veya Evren'i Büyük'ten önce tanımlarken. Bang – teorinin çöktüğü yer.

    Çok küçüğün fiziği , kuantum fiziği tarafından etkileyici bir doğrulukla tanımlanır , ancak Genel Görelilik ve kuantum teorisi uyumsuzdur. Doğanın tüm diğer güçleri 'nicelenir' - sürekli değişken miktarlar yerine parçalar halinde gelirler.

    Varsayım, onu diğer kuvvetlerle aynı hizaya getirecek ve yine de daha büyük nesneler için Einstein'ın teorisiyle aynı sonuçları üretecek bir kuantum yerçekimi teorisi geliştirmenin mümkün olması gerektiğidir.

    Şimdiye kadar, en iyi girişimler sicim teorisi/M-teorisi ve döngü kuantum yerçekimidir, ancak hiçbiri henüz kullanılabilir herhangi bir tahmin üretmedi.

 

Yerçekimi atom altı bir parçacıktan kaynaklanabilir mi?

    Çok muhtemel ve zaten bir adı var: graviton. Kuantum teorisinin elektromanyetizma gibi bir kuvvetin iletimini temsil etmesinin bir yolu, "bozonlar" adı verilen taşıyıcı parçacıkların akışıdır.

    Elektromanyetizma durumunda parçacık fotondur. Her parçacık, nicelenmiş fenomenin bir 'kuantumu' - bir yığınıdır.

    Yani yerçekimi bir kuantum etkisiyse, taşıyıcı olarak bir graviton olacağını varsayıyoruz. Ancak, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda yakın zamanda birinin ortaya çıkmasını beklemeyin. Bir gravitonun başka bir parçacıkla algılanabilir bir şekilde etkileşime girmesi o kadar olası değildir ki, şu anda bir tanesini tespit edebilecek gerçekçi olarak düşünülebilecek hiçbir deney yoktur.

 

Antigravite diye bir şey var mı?

    Bildiğimizden değil. Elektromanyetizmanın aksine, yerçekimi tek yönlü bir etkidir - sadece çeker. Yerçekimini diğer kuvvetlerle dengeleyebiliriz; Bunu her elinize bir şey aldığınızda yaparsınız.

    Karşıt güç görünmez elektromanyetizma olduğunda - örneğin bir şey bir mıknatısın üzerinde yüzerken - özellikle etkileyici görünüyor, ancak bu anti-yerçekimi değil.

Yüzdüğümüz ve daha hafif hissettiğimiz için suda yerçekimi kuvvetinin çok az olduğunu veya hiç olmadığını düşünebilirsiniz, ancak yerçekimi suda aynı kalır.

 

    Yerçekimine karşı koruma sağlamanın bir yolunu da bilmiyoruz: o her şeyin içinden geçer. Yerçekimini raylarında durdurabilirsek, sürekli hareket eden bir makine yapabilir ve serbest enerji üretebiliriz. Bariyer madde ile bir su çarkının her bir küreğinin aynı tarafını boyayın.

    Tekerleğin bir tarafındaki kürekler, çıplak yüzleri Dünya'ya bakacak şekilde yerçekimini hissedecek, diğer taraftaki kürekler ise yerçekiminden korunacaktır. Yani tekerleğin sadece bir tarafı aşağı doğru çekilecek ve sonsuza kadar dönecek.

    Anti-yerçekimini keşfetmek için küçük bir şans, antimaddenin sıradan madde tarafından yerçekimsel olarak itilebilmesidir.

    CERN'deki bilim adamları yakında bunu test etmek için yeterli antimaddeye sahip olacaklar, ancak çoğu fizikçi onun normal şeyler gibi davranacağını düşünüyor.