Să ne imaginăm că Pământul nu ar avea atmosferă (eliminăm, așadar, forța de frecare) și ați păși în gol de pe un turn înalt de 10 km. Ce s-ar întâmpla? Probabil răspunsul cel mai prezent la întrebare ar fi: „cad către sol cu o accelerație de 9,8 ms2”. Accelerația pare a fi o chestiune indiscutabilă, dar, în fapt, așa cum a arătat Einstein, această accelerație nu este reală. Nu, corpul tău nu experimentează nicio accelerație. Iată de ce.
Asupra unui corp aflat în cădere liberă, ca în cazul de mai sus, într-un câmp gravitațional (spațiu-timpul este distorsionat de masă şi energie), nu acționează nicio forță. Ceea ce este perceput ca acceleraţie reprezintă deplasarea corpului de-a lungul unei geodezice (Citeşte: Vizualizarea geodezicelor), care reprezintă distanța cea mai scurtă în spațiu-timpul curbat. Asta spune teoria relativității generale, una dintre teoriile cele mai testate și confirmate din fizică.
Întrebare însă este: dar cum se face că totuși corpul se deplasează către sol, aparent accelerat, cu o acceleraţie de 9,8 ms2? Această accelerație există doar în raport cu suprafața terestră, dar nu este o accelerație propriu-zisă, adică una care ar fi simțită de corpul aflat în cădere.
Accelerația propriu-zisă implică o forță, ca de exemplu accelerația unei rachete spațiale care se desprinde sol ori a mașinii care accelerează după oprirea la stop. Accelerația este resimțită de pasageri, fie că sunt în naveta spațială ori în mașină.
În teoria relativităţii generale acceleraţia propriu-zisă, care poate fi măsurată de un accelerometru, trebuie raportată la un observator aflat în cădere liberă (inerţial).
Din nou, într-un câmp gravitațional nu există accelerație, ci doar deplasare pe o geodezică în spațiu-timpul curbat.
Un corp în cădere liberă nu experimentează o acceleraţie propriu-zisă. Un exemplu de corpuri în cădere liberă care nu experimentează acceleraţie propriu-zisă este dat de oamenii din Staţia Spaţială Internaţională (Vezi videoclipul nostru pe acest subiect). Aceştia au senzaţia unui mediu lipsit de gravitaţie, deşi ei se află aproape de suprafaţa terestră şi, aşadar, într-o zonă în care gravitaţia este destul de puternică.
Iată un alt exemplu, poate mai concludent. Să presupunem că v-aţi afla în spaţiul interplanetar, într-o mişcare rectilinie şi uniformă către Terra. Pe măsură ce avansaţi în spaţiul gravitaţional al planetei, până la momentul impactului cu solul, nu veţi simţi nicio acceleraţie (desigur, presupunem că nu există atmosfera terestră, care s-ar opune mişcării).
Principiul echivalenței
Principiul echivalenței al lui Albert Einstein este soluția la acest mister. Principiul echivalenţei ne spune că efectele gravitaţiei şi ale acceleraţiei sunt imposibil de diferenţiat.
La scurt timp după terminarea teoriei sale speciale a relativităţii, Einstein a avut „cel mai fericit gând al vieții sale” (1907). Acest lucru s-a întâmplat în timp ce stătea pe scaunul său la Oficiul de Patente din Berna, când s-a întrebat ce s-ar întâmpla dacă ar lăsa să cadă o bilă în timp ce el însuşi era în cădere liberă spre sol. Einstein a realizat că o persoană care accelerează către sol, în același timp cu bila, nu va fi capabil să detecteze efectele gravitației asupra ei. Un observator poate discerne gravitația (cel puțin în aproprierea sa) pur și simplu prin mișcarea spre acest cadru de referință, accelerat, indiferent ce tip de obiect este aruncat. Gravitația este, local, echivalentă cu accelerația. Acesta este principiul echivalenței.
Iată un alt exemplu. Să ne imaginăm pe cineva închis într-o incintă izolată undeva în spaţiul cosmic, la milioane de kilometri de influenţa gravitaţională a oricărei planete. Persoana respectivă ar pluti prin încăpere fără niciun efort. Obiectele aflate în repaus ar rămâne în repaus, iar obiectele aflate în mişcare ar pluti prin incinta respectivă în linie dreaptă până ce s-ar lovi de un perete.
Însă în momentul în care motoarele unei rachete ataşate incintei ar începe să imprime ansamblului o acceleraţie prin spaţiu (să spunem, de jos în sus, din perspectiva unei încăperi de pe Terra, cu podea şi tavan, deşi în acea zonă a spaţiului noţiunile de sus şi jos şi-ar pierde sensul), eroul situaţiei imaginate de noi ar simţi ceva destul de diferit. S-ar simţi împins de podeaua aflată în mişcare accelerată. Obiectele aflate în repaus ar părea să cadă pe măsură ce podeaua ar accelera către în sus până la întâlnirea cu ele.
Altfel spus, lucrurile stau în felul următor:
1. Nu există nicio diferenţă, sub aspectul acceleraţiei, între o persoană care se află în cădere liberă de la 10 km deasupra solului şi o persoană situată în spaţiul interstelar, unde gravitaţia este neglijabilă.
2. Senzaţia pe care o avem pe suprafaţa solului (faptul că suntem ţintuiţi de sol, iar solul pare că ne atrage) este complet identifică cu cea m-aş afla într-o cabină în spaţiul interstelar, iar cabină ar fi accelerată de un motor cuplat la aceasta.
Principiul echivalenţei
(Partea privind principiul echivalenţei începe la minutul 1:00, subtitrare în lb. română)
În concluzie, acceleraţia gravitaţională nu este o accelerație propriu-zisă. Corpurile aflate în într-un spaţiu-timp curbat de masă/energie par să se mişte accelerat, dar acestea se află, în fapt, într-o mişcare neaccelerată, urmând liniile geodezice din spaţiu-timp, specifice zonei din univers în care se află.
Citiţi şi:
• De ce corpuri cu mase diferite cad cu aceeaşi viteză în vid?
• Cât de repede cade un corp spre Pământ?
