Η Καταπληκτική Δύναμη της Βαρύτητας

ΠΡΙΝ ΑΠΟ 300 περίπου χρόνια, ο Ισαάκ Νεύτων διατύπωσε τη θεωρία που περιγράφει το πώς λειτουργεί η βαρύτητα. Φαντάστηκε έναν άνθρωπο να πετάει κάποιο αντικείμενο από την κορυφή ενός ασυνήθιστα ψηλού βουνού. Αν το άφηνε απλώς από τα χέρια του, τότε το αντικείμενο θα έπεφτε προς το έδαφος, όπως ένα μήλο.

Αν όμως το πετούσε προς τα εμπρός, τότε αυτό θα ακολουθούσε μια καμπύλη καθώς θα έπεφτε στο έδαφος. Σκέφτηκε, λοιπόν, ο Νεύτων ότι, αν το πετούσε κανείς με αρκετά μεγάλη ταχύτητα, τότε αυτό θα γύριζε γύρω από τη γη διαγράφοντας τροχιά.

Με βάση αυτή τη θεωρία, ο Νεύτων διέκρινε ότι η βαρύτητα συνδέεται με τις κινήσεις της σελήνης και των πλανητών: η σελήνη αναγκάζεται να διαγράφει τροχιά γύρω από τη γη λόγω της έλξης που ασκεί η βαρύτητα της γης, και οι πλανήτες παραμένουν στις τροχιές τους λόγω της βαρύτητας του ήλιου.

Νόμος που Ισχύει σ’ Ολόκληρο το Σύμπαν

Αφού έκανε προσεκτική μελέτη, ο Νεύτων έδωσε μια ακριβή μαθηματική περιγραφή αυτού του νόμου που ισχύει σ’ ολόκληρο το σύμπαν. Με απλά λόγια, οι εξισώσεις του Νεύτωνα έλεγαν ότι όλα τα αντικείμενα, μικρά ή μεγάλα, έλκουν το ένα το άλλο, και η ισχύς αυτής της έλξης εξαρτάται από το πόση είναι η μάζα των αντικειμένων και η μεταξύ τους απόσταση.

Οι επιστήμονες, έχοντας κάνει μερικές βελτιώσεις, εξακολουθούν να χρησιμοποιούν τους βασικούς τύπους του Νεύτωνα που περιγράφουν τη βαρύτητα, κυρίως όταν σχεδιάζουν διαστημικά εγχειρήματα, όπως η αποστολή ενός ερευνητικού διαστημικού σκάφους για να συναντήσει τον κομήτη του Χάλεϊ το 1985. Μάλιστα, ο Άγγλος αστρονόμος Έντμοντ Χάλεϊ, συνεργάτης του Νεύτωνα, χρησιμοποίησε τις θεωρίες του Νεύτωνα για να προβλέψει το έτος επανεμφάνισης του κομήτη.

Οι ανακαλύψεις του Νεύτωνα σχετικά με τη βαρύτητα του έδωσαν μια γεύση της τάξης που επικρατεί στο σύμπαν, μιας ευταξίας που προέρχεται από νοήμονα σχεδίαση. Αλλά σίγουρα αυτό το ζήτημα δεν έληξε με το έργο του. Στις αρχές αυτού του αιώνα, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι μερικές πλευρές των θεωριών του Νεύτωνα ήταν ανεπαρκείς, ακόμη και αντιφατικές.

Ο Αϊνστάιν και η Βαρύτητα

Το 1916, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν διατύπωσε τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Η εκπληκτική του ανακάλυψη ήταν ότι η βαρύτητα, όχι μόνο διαμορφώνει το σύμπαν, αλλά διέπει και τον τρόπο με τον οποίο το βλέπουμε και το μετράμε εμείς. Η βαρύτητα επηρεάζει ακόμη και τον τρόπο με τον οποίο μετριέται ο χρόνος!

Και πάλι, ένα παράδειγμα μας βοηθάει να αποσαφηνίσουμε το ζήτημα. Φανταστείτε ότι το σύμπαν είναι σαν ένα απέραντο λαστιχένιο φύλλο. Αν τοποθετήσουμε ένα αντικείμενο πάνω σ’ αυτό το ελαστικό χαλί, θα δημιουργηθεί μια κοιλότητα, μια λακκούβα. Σύμφωνα με την περιγραφή που έκανε ο Αϊνστάιν, η γη, ο ήλιος και τα άστρα μοιάζουν με αντικείμενα πάνω σ’ ένα ελαστικό χαλί, που κάνουν το διάστημα να σχηματίζει καμπύλες. Αν κυλήσετε ένα άλλο αντικείμενο πάνω στο λαστιχένιο φύλλο, τότε η κοιλότητα που σχηματίζεται γύρω από το πρώτο αντικείμενο θα αναγκάσει το δεύτερο αντικείμενο να αποκλίνει και να ακολουθήσει καμπύλη.

Παρόμοια, η γη, οι πλανήτες και τα άστρα κινούνται σε καμπύλες, ακολουθώντας τις φυσικές «κοιλότητες» που υπάρχουν στο διάστημα. Ακόμη και μια ακτίνα φωτός αποκλίνει όταν περνάει κοντά από αντικείμενα του σύμπαντος που έχουν μεγάλη μάζα. Επιπλέον, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν πρόβλεψαν ότι το φως που ταξιδεύει αντίθετα με τη φορά της βαρύτητας χάνει μέρος της ενέργειάς του, όπως φαίνεται από τη μικρή μετατόπιση του χρώματος προς το ερυθρό άκρο του φάσματος. Οι φυσικοί ονομάζουν αυτό το φαινόμενο βαρυτική ερυθρή μετατόπιση.

Έτσι, εκτός από το ότι ξεκαθάρισε τις αντιφάσεις που είχαν προκύψει από τις ανακαλύψεις του Νεύτωνα, η θεωρία του Αϊνστάιν αποκάλυψε νέα μυστικά σχετικά με το πώς λειτουργεί η βαρύτητα στο σύμπαν.

Καταπληκτικές Επιδράσεις

Η ικανότητα που έχει η βαρύτητα να επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο ταξιδεύει το φως προκαλεί μερικές καταπληκτικές συνέπειες, τις οποίες έχουν παρατηρήσει οι αστρονόμοι.

Οι ταξιδιώτες της ερήμου είναι από παλιά εξοικειωμένοι με τους αντικατοπτρισμούς—τις οφθαλμαπάτες, που δείχνουν νερό να γυαλίζει στο έδαφος. Τώρα, οι αστρονόμοι έχουν φωτογραφίσει κοσμικούς «αντικατοπτρισμούς». Πώς συμβαίνει αυτό;

Το φως που έρχεται από ένα μακρινό αντικείμενο, το οποίο πιστεύεται ότι αποτελεί τον ενεργό πυρήνα ενός γαλαξία και ονομάζεται κβάζαρ (ή quasi-stellar object [ημιαστρικό αντικείμενο]) περνάει από παρεμβαλλόμενους γαλαξίες, μέχρις ότου γίνει ορατό στη γη. Καθώς αυτό το φως περνάει από τους γαλαξίες, αποκλίνει εξαιτίας των βαρυτικών δυνάμεων. Αυτή η απόκλιση του φωτός σχηματίζει δύο ή και περισσότερες εικόνες του ίδιου κβάζαρ. Ο επίγειος παρατηρητής, νομίζοντας ότι το φως έχει φτάσει σ’ αυτόν ακολουθώντας ευθεία πορεία, συμπεραίνει ότι βλέπει περισσότερα από ένα αντικείμενα.

Κάτι άλλο καταπληκτικό, που προκύπτει από το έργο του Αϊνστάιν, αφορά τις μαύρες τρύπες. Τι είναι οι μαύρες τρύπες, και τι σχέση έχουν με τη βαρύτητα; Την απάντηση μπορεί να τη δώσει ένα απλό πείραμα.

Προσπαθήστε να πετάξετε ένα αντικείμενο πάνω από το κεφάλι σας. Θα παρατηρήσετε ότι το αντικείμενο ανεβαίνει ως ένα ορισμένο ύψος, σταματάει για μια στιγμή κι έπειτα ξαναπέφτει στο έδαφος. Με το φως, τα πράγματα διαφέρουν. Μια ακτίνα φωτός μπορεί να διαφύγει από τη βαρύτητα της γης, επειδή ταξιδεύει με αρκετά μεγάλη ταχύτητα.

Υποθέστε τώρα ότι η δύναμη της βαρύτητας ήταν πολύ ισχυρότερη, αρκετά ισχυρή ώστε να μην επιτρέπει τη διαφυγή του φωτός. Από ένα τέτοιο αντικείμενο δεν θα μπορούσε να διαφύγει τίποτα. Αυτό καθαυτό το αντικείμενο θα ήταν αόρατο, γιατί δεν θα διέφευγε από τη βαρύτητά του καθόλου φως, προκειμένου να φτάσει στα μάτια κάποιου εξωτερικού παρατηρητή—έτσι βγαίνει το όνομα μαύρη τρύπα.

Ο Γερμανός αστρονόμος Καρλ Ζβάρτσιλντ ήταν ο πρώτος που έδειξε ότι θεωρητικά είναι πιθανό να υπάρχουν μαύρες τρύπες. Μολονότι, μέχρι τώρα, δεν έχει αποδειχτεί αδιαμφισβήτητα ότι υπάρχουν πράγματι στο σύμπαν μαύρες τρύπες, οι αστρονόμοι έχουν προσδιορίσει αρκετές πιθανές υποψήφιες. Οι μαύρες τρύπες μπορεί να είναι και κρυφές πηγές παραγωγής ενέργειας για τους κβάζαρ.

Κύματα Βαρύτητας

Με βάση το έργο του Αϊνστάιν, μπορούμε επίσης να απεικονίσουμε τη βαρύτητα μ’ έναν αόρατο ιστό, που συνδέει τα πάντα και συγκρατεί το σύμπαν. Τι συμβαίνει όταν διαταράσσεται ο ιστός;

Σκεφτείτε και πάλι το παράδειγμα με το λαστιχένιο φύλλο και υποθέστε ότι ένα αντικείμενο, που βρίσκεται πάνω στο φύλλο, σπρώχνεται ξαφνικά πέρα-δώθε. Οι δονήσεις που θα δημιουργηθούν στο φύλλο θα διαταράξουν τα κοντινά αντικείμενα. Παρόμοια, αν ένα άστρο «σπρωχνόταν» βίαια, θα μπορούσε να δημιουργηθεί στο διάστημα κυματισμός, ή κύματα βαρύτητας. Οι πλανήτες, τα άστρα ή οι γαλαξίες που θα βρίσκονταν στο δρόμο ενός κύματος βαρύτητας θα ‘ένιωθαν’ αυτό καθαυτό το διάστημα να συστέλλεται και να διαστέλλεται—σαν ένα λαστιχένιο φύλλο που δονείται.

Αφού αυτά τα κύματα δεν έχουν ανιχνευτεί μέχρι τώρα, ποια απόδειξη έχουν οι επιστήμονες ότι η θεωρία του Αϊνστάιν είναι σωστή; Μια από τις καλύτερες ενδείξεις προέρχεται από ένα αστρικό σύστημα που είναι γνωστό ως διπλός πούλσαρ (παλλόμενος αστέρας). Αυτό αποτελείται από δύο άστρα νετρονίων που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από ένα κοινό κέντρο, με τροχιακή περίοδο περίπου οχτώ ώρες.a Ένα απ’ αυτά τα άστρα είναι και πούλσαρ—εκπέμπει ραδιοπαλμούς καθώς περιστρέφεται, σαν τη φωτεινή ακτίνα σάρωσης ενός φάρου. Χάρη στο ότι ο πούλσαρ είναι ακριβής από χρονική άποψη, οι αστρονόμοι μπορούν να χαρτογραφήσουν την τροχιά των δύο άστρων με μεγάλη ακρίβεια. Διαπιστώνουν ότι ο χρόνος της τροχιάς μειώνεται σιγά-σιγά, σε πλήρη αρμονία με τη θεωρία του Αϊνστάιν, που λέει ότι εκπέμπονται κύματα βαρύτητας.

Στη γη, οι επιδράσεις αυτών των κυμάτων είναι απειροελάχιστες. Να ένα παράδειγμα: Στις 24 Φεβρουαρίου 1987, οι αστρονόμοι εντόπισαν ένα σουπερνόβα (υπερκαινοφανή αστέρα)—ένα άστρο που υφίσταται εντυπωσιακό μετασχηματισμό, εκπέμποντας ακτινοβολία ίση με την ακτινοβολία που θα εξέπεμπαν εκατομμύρια ήλιοι, καθώς ανατινάζει τα εξωτερικά στρώματά του. Τα κύματα βαρύτητας που παρήγαγε αυτός ο σουπερνόβα θα προκαλούσαν στη γη συρρίκνωση ίση με το ένα εκατομμυριοστό της διαμέτρου του ατόμου του υδρογόνου. Γιατί θα ήταν τόσο μικρή η αλλαγή; Επειδή προτού φτάσουν τα κύματα στη γη, η ενέργεια θα είχε διασκορπιστεί καλύπτοντας τεράστια απόσταση.

Προβληματισμοί

Παρά τις μεγάλες προόδους στον τομέα της γνώσης, ορισμένες θεμελιώδεις πλευρές της βαρύτητας εξακολουθούν να προβληματίζουν τους επιστήμονες. Εδώ και πολύ καιρό, υποστηρίζεται ότι βασικά υπάρχουν τέσσερις δυνάμεις—η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που είναι υπεύθυνη για τον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό, η ασθενής και η ισχυρή δύναμη, οι οποίες δρουν μέσα στον πυρήνα του ατόμου, και η βαρύτητα. Αλλά γιατί υπάρχουν τέσσερις; Θα μπορούσαν να αποτελούν και οι τέσσερις αυτές δυνάμεις εκδηλώσεις μιας μοναδικής θεμελιώδους δύναμης;

Πρόσφατα έγινε αποδεκτό ότι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη και η ασθενής δύναμη αποτελούν εκδηλώσεις ενός βασικού φαινομένου—της ηλεκτροασθενούς αλληλεπίδρασης—και ορισμένες θεωρίες προσπαθούν να ενοποιήσουν την ισχυρή δύναμη μ’ αυτές τις δυο. Αλλά η βαρύτητα είναι η παράξενη δύναμη που παραμένει ξέχωρα—δεν φαίνεται να ταιριάζει με τις άλλες.

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι μπορεί να προκύψουν διαφωτιστικά στοιχεία από πρόσφατα πειράματα που έγιναν στο στρώμα πάγου που καλύπτει τη Γροιλανδία. Φαίνεται ότι οι μετρήσεις που έγιναν σε μια τρύπα βάθους 2.000 μέτρων, που ανοίχτηκε στον πάγο, έδειξαν ότι η βαρύτητα ελαττωνόταν γρηγορότερα απ’ ό,τι αναμενόταν. Προηγούμενα πειράματα, που έγιναν μέσα σε φρέατα μεταλλείων και πάνω σε τηλεοπτικούς πύργους, έδειξαν με παρόμοιο τρόπο ότι κάτι μυστηριώδες προκαλεί αποκλίσεις από τις προβλέψεις της νευτώνειας περιγραφής της βαρύτητας. Στο μεταξύ, μερικοί θεωρητικοί προσπαθούν να αναπτύξουν μια καινούρια μαθηματική μέθοδο, τη «θεωρία των υπερχορδών», προκειμένου να ενοποιήσουν τις δυνάμεις της φύσης.

Βαρύτητα—Ζωτική για τη Ζωή

Και οι ανακαλύψεις του Νεύτωνα και οι ανακαλύψεις του Αϊνστάιν δείχνουν ότι οι κινήσεις των ουράνιων σωμάτων διέπονται από νόμους και ότι η βαρύτητα δρα ως ένας δεσμός που συγκρατεί το σύμπαν. Ένας καθηγητής της φυσικής, που έγραψε για το έντυπο New Scientist, έστρεψε την προσοχή στις αποδείξεις που παρέχουν αυτοί οι νόμοι για την ύπαρξη σχεδίου και είπε: «Η ελάχιστη αλλαγή της σχετικής ισχύος της βαρυτικής και της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης θα μετέτρεπε άστρα σαν τον Ήλιο σε μπλε γίγαντες ή κόκκινους νάνους. Απ’ ό,τι φαίνεται, διακρίνουμε ολόγυρά μας αποδείξεις πως η φύση τα έφτιαξε απολύτως σωστά».

Χωρίς τη βαρύτητα, απλώς δεν θα μπορούσαμε να υπάρξουμε. Αναλογιστείτε απλώς το εξής: Η βαρύτητα συγκρατεί τον ήλιο μας, συντηρώντας τις πυρηνικές του αντιδράσεις που παρέχουν τη θερμότητα και το φως που χρειαζόμαστε. Λόγω της βαρύτητας, η γη μας, που περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό της, παραμένει σε τροχιά γύρω από τον ήλιο—πράγμα που δημιουργεί τη μέρα, τη νύχτα και τις εποχές—και δεν μας αφήνει να εκτιναχθούμε όπως εκτινάσσεται η λάσπη από έναν περιστρεφόμενο τροχό. Η ατμόσφαιρα της γης παραμένει στη θέση της λόγω της βαρύτητας, ενώ η έλξη που ασκεί η βαρύτητα της σελήνης και του ήλιου δημιουργεί τακτικές παλίρροιες που συμβάλλουν στην κυκλοφορία των νερών στους ωκεανούς μας.

Με τη χρήση ενός μικροσκοπικού οργάνου στο εσωτερικό αφτί μας (του ωτόλιθου), αισθανόμαστε τη βαρύτητα και μαθαίνουμε να τη λαβαίνουμε υπόψη μας, από τη βρεφική μας ακόμη ηλικία, όταν περπατάμε, όταν τρέχουμε ή όταν πηδάμε. Πόσο δυσκολότερα είναι τα πράγματα για τους αστροναύτες, όταν προσπαθούν να αντιμετωπίσουν την πλήρη έλλειψη βαρύτητας στις διαστημικές πτήσεις!

Ναι, η βαρύτητα συμβάλλει στο να γίνεται φυσιολογική η ζωή μας στη γη. Αποτελεί πράγματι ένα καταπληκτικό παράδειγμα των ‘θαυμάσιων [έργων, ΜΝΚ]’ του Δημιουργού μας.—Ιώβ 37:14, 16.

[Υποσημειώσεις]

[Εικόνα στη σελίδα 16]

Ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα υποστηρίζει ότι, στο κενό, ένα πούπουλο κι ένα μήλο θα έπεφταν με την ίδια ταχύτητα

[Εικόνα στη σελίδα 17]

Το φως αποκλίνει στο διάστημα, καθώς περνάει από το βαρυτικό πεδίο άλλων σωμάτων

[Εικόνα στη σελίδα 18]

Από τη βρεφική μας ηλικία, ένα μικροσκοπικό όργανο στο αφτί μάς βοηθάει να λαβαίνουμε υπόψη μας τη βαρύτητα και να κρατάμε την ισορροπία μας