Зошто сето ова го раскажувам? Со децении научниците трагаат по гравитонот, честичка која би била одговорна за постоењето на гравитационото поле и сила. Би требала да се движи со брзина на светлината, да нема маса во мирување и да поседува и некои други својства. Но, до ден денешен никој не успеал да ја детектира во лабораториски услови. Зошто?

Гравитацијата функционира и во најголемите размери во универзумот. Таа е одговорна за одржувањето на галаксиите во една целина. Фото: НАСА/ЕСА

Гледајќи го видеото дадено подолу во еден миг се запрашав: А што ако Ајнштајн бил во право и гравитацијата е само ефект на масата која го закривува простор-времето? Што доколку гравитоните навистина не постојат и од тука никогаш нема да бидат откриени?

Инаку на еден форум на физичари се случи вистински лом кога ги запрашав во врска со гледиштето дали гравитацијата е сила? Настанаа и кавги помеѓу докторанти од областа на теоретската физика во врска со гравитационата потенцијалната енергија, фактот дека телото забрзува во гравитационо поле а како би забрзувало доколку гравитацијата не е сила и сл. Не добив задоволителен одговор. Но видеото подолу вистински ме просветли.

Ова видео инаку е дел од серијата на научно-популарни видеа на Youtube каналот Veritasium посветен на промовирањето на експерименти, демонстрации и дискусии со јавноста за сите прашања врзани за науката со посебен акцент на неинтуитивните / тешко разбирливи концепти и теории. Неговиот оснивач Дерек Мулер а австралиско-канадски популаризатор на науката кој докторирал токму на истражувањата со кои би се подобрило и олеснило изучувањето на физиката. Вистински маестро и доктор на областа која ја одбрал.

Во продолжеток ќе се обидам да дадам неколку интересни објаснувања за примерите кои во целост можете да ги погледате на видеото.

Според принципот на еквивалентност, гравитациската референтна рамка не би можеле да ја разликуваме од дадена неинерцијална референтна рамка која има константо забрзување. Реферетната рамка е нашиот координатен почеток во простор-времето во однос на кој ги набљудуавме и опишуваме физичките појави. Ајде горнава чудна терминологија да ја објасниме со пример. Да замислиме дека оддеднаш се будиме во една голема џиновска капсула која од сите страни е заградена, без прозорец, така што нема начин како да го набљудуваме просторот што ја опкружува.

Доколку сме далеку од Земјата, исфрлени во вселената и капсулата забрзува со 9,8 m/s², би можеле ли било како да откриеме дали нашата капсула се наоѓа на Земјата и е под дејство на нејзиното гравитационо поле или таа е милиони километри далеку од Земјата и забрзува со 9,8 m/s²? Доколку фрлиме предмет во насока спротивна од насоката во која капсулата (нашиот мал необичен свет) забрзува, ќе го забележиме истото слободно паѓање како и на Земјата. Сите калкулации и набљудувања кои сме ги правеле на Земјата, ќе важат и за капсулата. Дали постои било каков експериментален метод со кој би откриле дали нашата капсула забрзува далеку од Земјата или истата се наоѓа на површината на Земјата и е под дејство на гравитацијата?

Астронаутите Шејн Кимброу и Сандра Магнус и пратката со свежо овошје лебдат во внатрешноста на спејс-шатлот Ендевор, за време на мисијата STS-126, на 16 ноември 2008 година Фото: НАСА/Вселенски центар Џонсон

Ајде сега да погледаме еден целосно поинаков пример. Нашата капсула се движи рамномерно праволиниски во Вселената. Се наоѓаме во реферетна рамка која Њутн би ја нарекол инерцијална, бидеќи сумата од сите сили кои делуваат на телата во рамката е еднаква на 0. Ние обичните луѓе ова би го нарекле бестежинска состојба бидејќи на повеќе снимки од всeлената сме имале прилика да видеме како космонаутите и предметите околу нив лебдат. Истото искуство би го имале и во нашата капсула. Веќе не би имале осет за горе и долу бидејќи предметите еднаш испуштени би останале да лебдат, потурнат во дадена насока би продолжиле да се движат се додека не се судрат од ѕидовите на капсулата. Но, ајде сега да замислиме дека научниците на НАСА ги утнале пресметките и нашата капсула почнува да се доближува кон Земјата. Би почнала да забрзува под дејството на земјината гравитација но во нашиот мал свет, нештата и појавите би продолжиле да се однесуваат како и порано. Без било каков начин да забележиме дека се доближуваме до Земјата, би имале ли било каков екпериментален метод со кој би можеле да утврдиме дали се наоѓаме во бестижинска состојба или сме во слободен пад под дејство на гравитацијата на дадено масивно тело?

Горните размислувања на Ајнштајн воделе кон уште порадикални заклучоци. Ако слободното паѓање не можеме да го разликуваме од бестежинската состојба тогаш гравитацијата не е сила, барем не за луѓето од примерот со капсулата бидејќи истата ја доживуваат како инерцијална реферетна рамка, рамка врз која сумата на дејството на силите е еднакво на нула.

Дали бестежинската состојба е слободен пад или отсуство на сила?

Но, за набљудувачите од Земјата, капсулата забрзува. Кој е во право? Њутн горниов пример би го објаснил со фактот дека сите тела во капсулата, вклучително и капсулата забрзуваат со исто забрзување па од тука привидот дека се работи за инерцијална рамка и бестежинска состојба (едни во однос на други не забрзуваат). Ајнштајн би ја зел на помош Римановата геометрија и би тврдел дека во простор-времето закривено под дејство на некое масивно тело, ваквото движење на капсулата би било идеално рамномерно праволиниско движење. Според него се додека телата се движат по замислените геодезиски линии во простор-времето за нив важи првиот Њутнов закон за инерцијата. Секое забрзување во простор-времето или отстапување од овие замислени геодезиски линии би значело дејство на сила и појава на забрзување. Њутновите закони за инерција и сила ги гледаме овојпат проширени во простор-времето кое не мора да биде рамно, еуклидско туку по дејство на материјата може да да биде закривено. Но тогаш што се случува со телото кое е попречено да се движи по замислените геодезиски линии? Забрзува? Трпи дејство на сила? Како? Земјата не е балон кој се шири па сите предмети на нејзината подлога да забрзуваат со ширењето на Земјата. Проблемот очигледно не можеме да го решиме во просторот и апсолутното време одвоени како две засебни појави и онака како што Њутн си ги претпоставил. Но, Ајнштајн дава една поинаква проширена дефиниција за тоа тоа што претставува забрзувањето. Да ја погледаме следната равенка:

     [1]

Од левата страна е забрзувањето во простор-времето, тоа што даден набљудувач може да го измери во однос на својата реферетна рамка на релативно мирување, но овој пат како вектор на забрзување пресметан за трите просторни координати (за алфа 1,2,3 ги имаме просторните координати x, y, z) и забрзувањето нa временската координата t за алфа 0. 

Членот ни е поприлично познат од часовите по физика во средно и додипломски студии, всушност Њутн така и го дефинира забрзувањето, а новоста што Ајнштајн ја воведува е членот . Не сум ја изучувал Римановата геометрија за да го објаснам овој член, но да кажеме дека со него се опишува геометријата на простор-времето или колку таа е рамна / еуклидска или закривена.

Интересен факт е дека даден набљудувач може да го измери , но никогаш нема да може да докаже дали се работи за забрзување предизвикано од забрзувањето на неговата реферетна рамка низ просторните координати или пак од закривеноста на простор-времето – гравитацијата. Повторно принципот на еквивалетност, но овој пат математички.

Уште повеќе, ајде сега да го објасниме примерот со телото поставено на површината на Земјата и дали истото може да забрзува дури и тогаш кога тоа мирува во однос на неа како референтна рамка. Бидејќи првиот член од десната страна на равенството е нула, произлегува дека целото забрзување доаѓа од закривувањето на простор-времето:

Погодувате, доколку пак капсулата е во слободно паѓање заради просторно-временското закривување - гравитацијата, набљудувачот во капсулата не може да измери никаква забрзување, се наоѓа во бестежинска состојба заради фактот што збирот на двата члена од десната страна е 0 (тие со иста големина но спротивен знак).

Визуелен приказ за тоа како предметите го искривуваат 'ткивото' на простор-времето

Се чини дека во оваа замислена расправија помеѓу Њутн и Ајнштајн  и двајцата се во право. Или можеби горниве равенства се само математички трик на Ајнштајн и Римановата геометрија со кој описот на гравитацијата на Ајнштајн подобро се вклопува со астрономските набљудувања споредено со начинот како Њутн ја опишал гравитацијата (патеката на Меркур на пример). Но еве еден интересен експеримент кој би можел да го одреди победникот. Доколку гравитацијата е сила и слободното паѓање е забрзано движење, онака како што ние го перцепираме и како што Њутн го опишал, пуштањето на даден електричен полнеж во слободно паѓање според Максвеловите равенки би требало за последица да го има зрачењето на енергија во форма на електромагнетен бран [2]. Доколку полнежот во слободно паѓање почне да зрачи електромагнетна енергија, тој би требал да почне да забавува во однос на телото во слободен пад кое нема статички електрицитет бидејќи дел од кинетичката енергија на полнежот со слободно паѓање би почнала да се конвертира во електромагнетна, а второто тело би продолжило без таа конверзија и следствено на тоа би паѓало побрзо кон подлогата. Но, за жал, овој експеримент колку и да се чини лесно изводлив, е речиси невозможно да се изведе на Земјата. Има ли крај расправијата помеѓу Њутн и Ајнштајн и дали гравитацијата е сила?

Фиксниот простор на Њутн наспроти флексибилното време на Ајнштајн, од филмот „Тестирање на Ајнштајн универзум“ на Норберт Бартел (фото: nasa.gov)

Кога дознав дека горниот експеримент е тешко изводлив, а можеби и невозможен да се изведе, почнав да размислувам за една друга интересна варијанта. Замислете дека сте во капсулата заробени од гравитација на некое масивно тело. Вашата ротација околу него, доколку гравитацијата е сила би требало да можете да ја доживеете и да ја измерите како центрифугално забрзување во внатрешност на капсулата. На рингишпилот оваа сила би сте ја почувствувале. Дали би сте ја почувствувале истата сила доколку ротирате со еквивалентно центрипетално забрзување околу масивното тело или повторно ќе бидете во бестежинска состојба во вашата капсула? Врзано за горното еден од најлошите аргументи на поборниците на моделот на Рамна Земја е наводното центрифугално забрзување кое ние би требале да го почувствуваме доколку сончевиот систем ротира околу центарот на нашата галаксија со линиска брзина од неверојатни 828 илјади км/час. Доколку Њутн е во право, калкулациите покажуваат дека ова забрзување би било невозможно да се детектира бидејќи би изнесувало 1,92*10-11 m/s². Доколку Ајнштајн е во право ова забрзување би било рамно на чиста 0. Штета, повторно немаме победник.

Би ви препорачал да го погледајте 17 минутното видео дадено во прилог и да се подготвите за дебата на Facebook страницата на Емитер во врска со темата. Ве чекаме!

Линк за дискусија: 
https://www.facebook.com/EmiterSpisanie/posts/pfbid035sgua7hwPecj2iQi5EP...