Βαρύτητα

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Στη φυσική, βαρύτητα ονομάζεται η ιδιότητα των υλικών σωμάτων να έλκουν άλλα υλικά σώματα. Τα ελκόμενα σώματα κινούνται με επιταχυνόμενη κίνηση προς το έλκον σώμα. Οι έλξεις είναι αμοιβαίες. Το μέτρο της αντίστασης, που παρουσιάζει κάθε σώμα στη μεταβολή της κινητικής του κατάστασης, το ονομάζουμε μάζα του σώματος. Η δύναμη έλξης, που ονομάζεται βάρος, είναι μεγαλύτερη όταν τα σώματα είναι πλησιέστερα ή όταν έχουν μεγαλύτερη μάζα.

Η βαρύτητα στη γη έλκει τα υλικά σώματα και προκαλεί την πτώση τους στην επιφάνειά της όταν αφεθούν ελεύθερα. Επιπροσθέτως, η βαρύτητα είναι η αιτία της ύπαρξης της γης, του ήλιου και των άλλων αστρικών σωμάτων. Χωρίς αυτή δεν θα είχε υπήρχε ζωή, όπως τη γνωρίζουμε σήμερα. Η βαρύτητα είναι επίσης υπεύθυνη για την τροχιά της γης και των υπόλοιπων πλανητών γύρω από τον ήλιο, την τροχιά της σελήνης γύρω από τη γη, τον σχηματισμό παλιρροιών και άλλα φυσικά φαινόμενα που παρατηρούμε.

Η δύναμη της βαρύτητας κρατά τους πλανήτες σε τροχιά γύρω από τον ήλιο. (Η εικόνα δεν βρίσκεται σε κλίμακα)

Η βαρύτητα είναι μία από τις τέσσερις βασικές αλληλεπιδράσεις στη φύση. Οι άλλες τρεις είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ασθενής πυρηνική και η ισχυρή πυρηνική. Η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις, αλλά δρα σε μεγάλες αποστάσεις και είναι πάντοτε ελκτική.

[Επεξεργασία] Η ιστορία της βαρυτικής θεωρίας

Υπήρξαν πολλές θεωρίες για την βαρύτητα από την εποχή του Έλληνα φιλόσοφου Αριστοτέλη τον 4ο αιώνα π.Χ.. Πίστευε πως δεν υπήρχε δράση χωρίς αιτία και επομένως δεν υπήρχε κίνηση χωρίς κάποια δύναμη. Συμπέρανε ότι όλα τα αντικείμενα προσπαθούσαν να κινηθούν προς την κατάλληλη θέση τους στις κρυστάλλινες ουράνιες σφαίρες και ότι τα σώματα έπεφταν προς το κέντρο της γης ανάλογα με το βάρος τους. Το 628, ο Ινδός αστρονόμος Βραχμαγκούπτα (Brahmagupta) ήταν ο πρώτος που διαπίστωσε πως η βαρύτητα ήταν μια ελκτική δύναμη. Εξηγούσε πως "τα σώματα πέφτουν προς τη γη καθώς είναι στη φύση της γης να έλκει σώματα, όπως είναι στη φύση του νερού το να ρέει". Ο Σανσκριτικός όρος που χρησιμοποιούσε για τη βαρύτητα, 'gurutvā-karṣaṇam', σήμαινε 'η έλξη του βάρους'. Ο Βραχμαγκούπτα επίσης υιοθέτησε το ηλιοκεντρικό σύστημα για την βαρύτητα, το οποίο είχε νωρίτερα αναπτύξει ο Αριαμπιάτα (Aryabhata) το 499.

Εργαζόμενος πάνω σε αυτές τις ιδέες, το 1687 ο Άγγλος μαθηματικός Σερ Ισαάκ Νεύτων (Sir Isaac Newton) δημοσίευσε το διάσημο έργο του "Principia" ("Μαθηματικές αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας"), στο οποίο και διατυπώθηκε το πρώτο αξίωμα για την βαρύτητα, το οποίο είχε παγκόσμια ισχύ. Όπως το έθεσε ο ίδιος, "Συμπέρανα ότι οι δυνάμεις που συγκρατούν τους πλανήτες στην τροχιά τους πρέπει να είναι αντιστρόφως (ανάλογες) ως προς τα τετράγωνα των αποστάσεων από τα κέντρα γύρω από τα οποία περιφέρονται· και εξ αυτού συνέκρινα τη δύναμη που απαιτείται για να συγκρατεί τη Σελήνη στην τροχιά της με την ισχύ της βαρύτητας στην επιφάνεια της Γης. Και τις βρήκα να συμφωνούν με ικανοποιητική προσέγγιση". Οι περισσότεροι σύγχρονοι μη-σχετικιστικοί υπολογισμοί για τη βαρύτητα βασίζονται στο έργο του Νεύτωνα.

[Επεξεργασία] Ο παγκόσμιος βαρυτικός νόμος του Νεύτωνα

Ο νόμος του Νεύτωνα για τη βαρύτητα διατυπώνεται ως εξής:

• κάθε σωματίδιο στο σύμπαν έλκει κάθε άλλο σωματίδιο με δύναμη ανάλογη του γινομένου των μαζών τους και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης του κέντρου βάρους τους.

Αν τα σωματίδια έχουν μάζες m₁ και m₂ και τα κέντρα βάρους τους απέχουν απόσταση r, το μέγεθος (το μέτρο) αυτής της βαρυτικής δύναμης είναι:

όπου F είναι η βαρυτική δύναμη και G η παγκόσμια βαρυτική σταθερά ().

[Επεξεργασία] Η βαρύτητα στη γη

Κάθε πλανήτης συμπεριλαμβανομένης και της γης έχει τα δικά του χαρακτηριστικά όσον αφορά τη δύναμη της βαρύτητας, και το μέτρο αυτής διαφοροποιείται (συνήθως μετράται στο επίπεδο της επιφάνειας του κάθε πλανήτη). Η επιτάχυνση εξαιτίας της δύναμης της βαρύτητας στη γη είναι ίση με 9.81 m/s² και συμβολίζεται με το γράμμα g. Αυτό σημαίνει, ότι αγνοώντας την αντίσταση του αέρα, ένα αντικείμενο που εκτελεί ελεύθερη πτώση κοντά στην επιφάνεια της γης, η ταχύτητα του θα αυξάνεται με ρυθμό 9.81 m/s για κάθε δευτερόλεπτο της πτώσης του. Έτσι, ένα αντικείμενο από κατάσταση ηρεμίας και αφού αφεθεί ελεύθερο θα έχει ταχύτητα 9.81 m/s μετά από ένα δευτερόλεπτο, 19.62 m/s μετά από δύο δευτερόλεπτα, κ.ο.κ. Το σώμα που εκτελεί ελεύθερη πτώση ασκεί και αυτό με τη σειρά του στη γη δύναμη ανάλογου μέτρου και αντίθετης φοράς με αυτή που του ασκεί η ίδια, κάτι το οποίο σημαίνει πως η γη επιταχύνεται προς το σώμα. Όμως εξαιτίας της τεράστιας μάζας της γης σε σχέση με το σώμα η επιτάχυνση αυτή είναι αμελητέα.

[Επεξεργασία] Βαρύτητα και αστρονομία

Οι ανακαλύψεις και εφαρμογές σύμφωνα με το νόμο της Βαρύτητας του Νεύτωνα μας έχουν δώσει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τους πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα, τη μάζα του ήλιου και την απόσταση των μακρινών αστερισμών. Παρόλο που δεν έχουμε φτάσει σε όλους τους πλανήτες ξέρουμε τη μάζα τους και αυτό επιτεύχθηκε μέσω της μελέτης των νόμων της βαρύτητας. Στο διάστημα όλα τα σώματα βρίσκονται σε τροχιά γύρω από αντικείμενα με πολύ μεγαλύτερη μάζα και αυτό εξαιτίας της δύναμης της βαρύτητας. Οι πλανήτες βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τους αστέρες, οι αστέρες γύρω από τα κέντρα των γαλαξιών και οι γαλαξίες γύρω από ένα κέντρο μάζας σε συστοιχίες.

[Επεξεργασία] Εφαρμογές

Η σωστή λειτουργία ενός μεγάλου αριθμού μηχανών, συσκευών και συστημάτων εξαρτάται με κάποιο τρόπο από τη βαρύτητα. Για παράδειγμα η διαφορά στο ύψος μπορεί να χρησιμεύσει σαν πίεση σε ένα υγρό όταν μιλάμε για ένα υδραγωγείο ή για έναν ιατρικό ορό. Επίσης, με τη βοήθεια της βαρύτητας έχουμε τη δυνατότητα να παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα από τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Ένα ρολόι που λειτουργεί με ένα εκκρεμές βασίζει τη λειτουργία του στη δύναμη της βαρύτητας για τον υπολογισμό του χρόνου. Ο τεχνητός ορίζοντας στα αεροσκάφη και άλλα ιπτάμενα μέσα αποτελεί εφαρμογή της δύναμης της βαρύτητας για να απεικονίζει την κλίση του αεροπλάνου. Τέλος, οι τεχνητοί δορυφόροι είναι και αυτοί μια εφαρμογή της βαρύτητας που μαθηματικά είχε διατυπωθεί στο έργο "Principia" του Νεύτωνα.

[Επεξεργασία] Θεωρίες για τη βαρύτητα

Σήμερα υπάρχουν πολλές θεωρίες που προσπαθούν να εξηγήσουν τη φύση της βαρύτητας, αλλά και της αντιβαρύτητας (σκοτεινής ενέργειας).

• Αποδεδειγμένες θεωρίες
  • Νόμος της παγκόσμιας έλξης, όπως διατυπώθηκε από το Νεύτωνα.
  • Γενική Θεωρία Σχετικότητας. Περιγράφει την βαρυτική δύναμη μέσω των καμπυλώσεων του χωρόχρονου παρουσία μάζας. Καταρρέει σε ακραίες συνθήκες, πχ βαθειά μέσα σε μία μαύρη τρύπα και στα πρώιμα στάδια ζωής του σύμπαντος.

• Μη-αποδεδειγμένες θεωρίες
  • Εναλλακτικές της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, πχ Θεωρία του Yilmaz.
  • Κβαντική θεωρία της βαρύτητας (Quantum Gravity) (http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/qg_home.html) Αποτελεί μοντέλο της βαρύτητας συμβατό με τις αρχές της κβαντομηχανικής.
  • Ενέργεια του μηδενικού σημείου (Zero Point Energy). (http://www.calphysics.org/zpe.html) Μία από τις βασικές αρχές της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας είναι ότι το απόλυτο κενό είναι εντελώς άδειο από ύλη και ενέργεια. Από την κβαντομηχανική όμως γνωρίζουμε ότι το απόλυτο κενό είναι γεμάτο ενέργεια. Σε ένα κενό, μετά από την απομάκρυνση όλης της ύλης και ενέργειας εξακολουθούν να υφίστανται απρόβλεπτες, τυχαίες διακυμάνσεις της λεγόμενης ενέργειας του κενού (μηδενικού σημείου). Το περίφημο φαινόμενο Casimir, το οποίο έχει αποδειχθεί πειραματικά, ίσως αποτελεί την απόδειξη ύπαρξης της ενέργειας του κενού.
  • Θεωρία Υπερχορδών (http://superstringtheory.com/) Αποτελεί θεωρία ενοποίησης των τεσσάρων ειδών δυνάμεων, ιδιαίτερα στις ακραίες συνθήκες στις οποίες καταρρέει η Γενική Θεωρία Σχετικότητας.
  • Θεωρία Μ. Αποτελεί υπερσύνολο όλων των διαφορετικών εκδοχών θεωριών των υπερχορδών (Mother theory).
  • Θεωρία Κοσμικού Πληθωρισμού (Cosmic Inflation) (http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/inf_home.html) Το σύμπαν διέρχεται μία φάση εκθετικής διαστολής λόγω της αρνητικής (απωθητικής) πίεσης της ενέργειας του κενού. Εξηγεί γιατί το σύμπαν μετά από τη μεγάλη έκρηξη εμφανίζεται επίπεδο (η απόσταση μεταξύ δύο σημείων δίδεται από την ευκλείδια γεωμετρία), ομογενές και ισοτροπικό (δηλαδή σε οποιαδήποτε θέση και να βρίσκεται ένας παρατηρητής και προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και αν κοιτάζει θα διακρίνει τα ίδια γενικά χαρακτηριστικά).
  • Θεωρία των μεμβρανών (Brane Cosmology). Προέρχεται από τη θεωρία των υπερχορδών. Μέσα στον πολυδιάστατο χώρο, το δικό μας τετραδιάστατο σύμπαν, όπως και τα υπόλοιπα σύμπαντα βρίσκονται το καθένα πάνω σε παράλληλες μεμβράνες (branes). Η βαρύτητα διαπερνά όλα τα σύμπαντα/μεμβράνες προκαλώντας και το φαινόμενο της σκοτεινής ενέργειας, τη φύση της οποίας προσπαθούν να εξηγήσουν οι επιστήμονες. Η επίδραση αυτή μεταβάλλει το νόμο του Νεύτωνα στον υποχιλιοστομετρικό χώρο.