Harta câmpului gravitaţional al Terrei (Potsdam Gravity Potato)
Sateliţii GRACE şi CHAMP au fost folosiţi pentru a crea harta câmpului gravitaţional al Terrei. După cum se poate observa, sunt diferenţe între diversele părţi al suprafeţei terestre. De unde aceste diferenţe? Cauze posibile sunt: distribuţia neuniformă a masei în oceane, continente ori în interiorul Pământului, printre altele.

Ideea acestui articol a venit de la o nemulţumire privind modul clasic în care este vizualizată, de regulă, curbura spaţiu-timpului. Şi propunem o nouă modalitate de vizualizare care, sperăm, este mai intuitivă. Ca să fie clar de la început: ambele variante, cea clasică şi cea propusă aici, sunt, în mod limpede, doar aproximări; nimeni nu ştie să vizualizeze lumea în 4 dimensiuni, spaţiu-timpul. Întrebarea este dacă varianta pe care o propunem este mai utilă în încercarea de a înţelege mişcarea obiectelor în spaţiu-timp.


Aşadar, aşteptăm reacţiile dvoastră după lectura acestui articol: este sau nu utilă vizualizarea pe care o propunem? Sau este foarte greşită, încât e mai bine să uităm de ea?


Ce înseamnă că spaţiu-timpul este curbat?

Gravitaţia este efectul curbării spaţiu-timpului. Spaţiu-timpul este afectat, distorsionat de materie/energie. Oricărui obiect i se dictează de către forma spaţiu-timpului cum să se mişte în univers.

Gravitația, conform teoriei relativităţii generalizate, care introduce şi conceptul de spaţiu-timp, este, aşadar, rezultatul curbării spaţiu-timpului de către materie/energie. Corpurile nu sunt atrase unele de altele, ci corpurile se mişcă în linie dreptă în spaţiu-timpul curbat de către materie/energie.

Pentru explicaţii detaliate privind structura spaţiu-timpului şi curbarea spaţiu-timpului, citiţi:
Ce este spaţiu-timpul?  şi Cum se curbează spaţiu-timpul? 


Principiul echivalenţei


Principiul echivalenţei ne spune că efectele gravitaţiei şi ale acceleraţiei sunt imposibil de diferenţiat. O explicaţie detaliată a principiului puteţi găsi aici.
Gravitaţia este, cum am spus, efectul curbării spaţiu-timpului. Dar această curbură este dinamică, în mişcare pe măsură ce obiectele se mişcă.
În cazul găurilor negre, curbarea spaţiu-timpului este în mod particular extrem de puternică. Citiţi un articol amplu despre găurile negre aici.


Reprezentarea clasică a curbării spaţiu-timpului

Curbarea spaţiu-timpului de către Terra


credit: Mark Garlick / Science Source

 

Dinamica distorsiunii spaţiu-timpului




Ce vedem în imagine şi videoclip? Cum masele mai mici "cad" către corpul cel mare. Până la un punct e acceptabil. Unde cred că apare o serioasă problemă de înţelegere este când ne întrebăm: dar de ce accelerează corpurile mai mici către cele mai mari în realitate? În reprezentările grafice de mai sus explicaţia vizuală, că e o vale formată de obiectul mai greu, nu poate ilustra realitatea, căci nu sunt văi în univers în care corpurile cad.

Iată un exemplu, care face legătura între reprezentările de mai sus şi cea de mai jos.
Să ne imaginăm Pământul fără atmosferă, deci nu va exista nicio frecare pentru un corp ce cade spre centrul Pământului. Plasăm un corp în spaţiu la, să zicem, 30 de kilometri distanţă de suprafaţa Pământului. Odată lăsat liber, fără ai da niciun impuls, corpul va începe să cadă (accelereze) către sol cu diverse acceleraţii, în funcţie de distanţa la care se află (acceleraţia la nivelul suprafeței terestre este de 9.8 m/s², dar pe măsură ce te depărtezi de Terra, aceasta scade).
Ce face ca acest corp să înceapă să accelereze? Explicaţia se poate găsi în ecuaţiile relativităţii generale, dar o explicaţie intuitivă nu rezultă nici din aceste ecuaţii, nici din reprezentările grafice de mai sus, credem.


O încercare de vizualizare a mişcării accelerate în spaţiu-timp

 


Într-un spaţiu-timp curbat, generat de prezenţa unui obiect masiv, spaţiul se deplasează către centrul obiectului.
Obiectele "staţionare" plasate în spaţiu, vor urma dinamica spaţiului, deplasându-se cu acesta.


Ce vedeţi mai sus sunt următoarele: spaţiul este în continuă curgere către centrul obiectului masiv care a curbat spaţiu-timpul. Curbarea spaţiu-timpului face ca spaţiul să fie dinamic, într-o mişcare perpetuă către centrul obiectului masiv care a dus la curbarea spaţiu-timpului.

Ideea prezentată aici îşi are originea în eforturile de vizualizare a fenomenelor fizicii de către un fizician american, Andrew Hamilton,  care studiază teoria relativităţii şi găurile negre, şi care a realizat o serie de animaţii ale mişcării materiei în jurul orizontului evenimentelor şi în interiorul găurilor negre.
Am publicat recent pe Scientia un articol pornind de la aceste vizualizări animate, numit "Ce ai vedea dacă te-ai prăbuşi într-o gaură neagră".
Hamilton vine cu propria definiţie a găurilor negre, spunând că: "o gaură neagră este un loc din univers unde spaţiul cade mai repede decât fotonii de lumină". 

Conform relativităţii generale, gravitaţia nu este o forţă; obiectele care se deplasează în spaţiu-timp, ca fotonii menţionaţi, utilizează căile cele mai scurte în spaţiu-timp, numite geodezice. Cum spaţiul se prăbuşeşte în  gaura neagră, fotonii, care sunt captivi ai spaţiului, se prăbuşesc cu el.

Corpul plasat la 30 km de sol din exemplul nostru de mai sus, conform propunerii nostre de vizualizare a dinamicii spaţiului, nu face altceva, aşadar, decât să intre într-o mişcare accelerată a spaţiului însuşi.

În animaţia de mai sus am preluat şi modificat una dintre reprezentările lui Hamilton privind mişcarea materiei în proximitatea unei găuri negre, gândind că fenomenul fizic în apropierea oricărui corp masiv este, în bună parte, acelaşi.  Dacă spaţiul cade într-o gaură neagră, care-i diferenţa cu spaţiul din preajma oricărei mase (care are acelaşi efect asupra spaţiu-timpului), alta decât diferenţa de tărie?


Această reprezentare pe care o propunem pentru a înţelege deplasarea într-un spaţiu-timp curbat pare, credem, a fi un pic mai intuitivă decât cele clasice, introducând spaţiul ca vehicul al accelerării (corpurile sunt "staţionare", "captive" în spaţiu - care accelerează către centrul obiectului masiv), dar vine cu dificultăţi suplimentare:
:: spaţiul este acum într-un continuu proces de deplasare (absorbţie?) către centrul obiectului masiv;
:: spaţiul pare a avea capacitatea de multiplicare ori elasticitate infinită;
:: spaţiul are diverse acceleraţii, în funcţie de tăria câmpului gravitaţional în diverse puncte ale spaţiu-timpului.

Încă o dată, nu încercăm să revoluţionăm fizica. Doar facem o încercare de a oferi o înţelegere intuitivă a efectelor curbării spaţiu-timpului şi a mişcării accelerate a corpurilor aflate într-un câmp gravitaţional.

Corpurile de diverse mase cad cu aceeaşi viteză în spaţiu

Unul dintre articolele care au stârnit curiozitatea cititorilor noştri a fost cel intitulat "De ce corpuri cu mase diferite cad cu aceeaşi viteză în vid?". Probabil că articolul a stârnit curiozitatea pentru că presupunerea, că două corpuri cad cu aceeaşi viteză către un obiect masiv, în absenţa frecării, este complet contraintuitivă, luând în calcul experienţa de zi cu zi.

 

 

În acel articol am folosit ecuaţiile lui Newton pentru a explica de ce masa nu are relevanţă, precum şi intuiţia lui Einstein, conform căreia există o echivalenţă între masa gravitaţională şi masa inerţială.

Dar în abordarea de vizualizare a mişcării în spaţiu-timp curbat, pe care am prezentat-o mai sus, lucrurile sunt mult mai simplu de înţeles: dacă în prezenţa unui câmp gravitaţional spaţiul este atras către centrul masei, iar corpurile practic sunt "ostatice" în acest spaţiu în mişcare, un elefant şi un purice vor merge braţ la braţ către centrul obiectului masiv, nu există niciun motiv pentru ca elefantul să se deplaseze mai repede. Doar opoziţia masei de aer din atmosfera Pământului îl încetineşte pe purice mai mult decât pe elefant.


Orice comentarii, critice ori nu, sunt binevenite.

 

Credit prima imagine: CHAMP, GRACE, GFZ, NASA, DLR


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!