Albert Einstein spunea la un moment dat: “falling in love is not at all the most stupid thing that people do — but gravitation cannot be held responsible for it.” Adică, pe românește, dacă îți pică vreunul sau vreuna cu tronc, poți să blestemi și să înjuri pe cine și ce vrei, numai pe gravitație să nu dai vina, că ea n-are nici o treabă. Csf? Ncsf! Ea nu poate face asta, cel mai probabil fiindcă e deja prea ocupată să facă alte lucruri: cum ar fi să facă Universul să funcționeze cum trebuie.

 O forță drăguță și foarte foarte atrăgătoare

Gravitația este un fenomen natural prin care toate lucrurile cu energie sunt atrase unul de cealălt. O știi prea bine, pentru că nu există moment al vieții tale în care să nu dai nas în nas cu ea și să nu îi simți efectele. Este una din cele patru forțe fundamentale (alea pe baza cărora funcționează întreg Universul, celelalte trei fiind forța nucleară tare, forța nucleară slabă și forța electromagnetică) și deși crezi fix opusul, ea se prezintă ca fiind cea mai slabă dintre toate. Da, da, știu, deja ai ridicat din sprânceana preferată și te întrebi de ce sunt obraznic și spun prostii: “Cum să fie gravitația cea mai slabă dintre forțe? Că ditamai Pământul, că Soare, că găuri negre din care nu scapă nici măcar lumina! Dacă e în vreun fel, este cu siguranță cea mai puternică forță din Univers (în afară de forța dragostei, bineințeles).” Mnu, nu, crede-mă. Ți se pare că e cea mai puternică forță tocmai fiindcă dai de ea zi de zi și o vezi mereu în acțiune, dar ea pălește în comparație cu celelalte trei care țin Universul într-o singură bucată. Îți explic imediat cu ajutorul asistentului meu, Nemo.

nemoetajDe ce spun că este cea mai slabă forță? Pentru că în fiecare moment al existenței tale reușești (fără să îți dai seama) să o învingi! De exemplu, când vrei să arunci un motan de la etajul 8. Nemo a fost destul de generos să mă ajute să îți exemplific. În momentul în care îl ridic, Pământul trage de el cu o anumită forță, iar Nemo trage de Pământ cu aceeași forță, adică în cazul de față cu vreo 39 N (newtoni – unitatea de măsură pentru orice forță). Ambii se atrag în același timp cu o forță de 39N. Pământul este imens (și sper din tot sufletul că NU asta este cea mai fascinantă informație pe care ai aflat-o în postarea asta), dar tot pot să îl ridic pe Nemo sau o grămadă de alte obiecte. Prin comparație, forța nucleară tare (forța care ține lipiți protonii dintr-un atom) este mult mult mai puternică. Atracția gravitațională e o treabă reciprocă, cum e relația aia de iubire, la care visai în liceu: Pământul te atrage, tu atragi Pământul. Atât de drăguță ești.

Ok, dacă forța nucleară tare bate forța gravitației, atunci de ce nu suntem afectați și de prima, ci numai de a doua? Pentru că fiecare forță are o distanță la care poate acționa. Forța nucleară tare poate acționa numai la distanțe foarte foarte mici (doar la nivelul nucleului unui atom, efectiv nu poate funcționa la o distanță mai mare de atât), în timp ce gravitația poate acționa la o distanță foarte mare (în funcție de cât de masive sunt corpurile care exercită o forță a gravitației; de exemplu, o stea care trece la câțiva ani-lumină de Sistemul Solar ne poate afecta cu gravitația ei).

De ce este gravitația atât de slabă? Nu știm! Serios, este unul din marile mistere ale științei (pe lângă “sunt ok”-ul spus de iubita oricui) și momentan suntem în pom, relativ. Dar nu te lăsa păcălită de ce am spus mai sus, gravitația nu este o momâie, ci are destulă putere de a face o grămadă de lucruri mișto. Îți spun imediat și despre asta, dar mai întâi, e musai să știi că în momentul de față există două abordări ale gravitației. Poți să spui că ea este de două feluri:

Cum am calculat cu ce forță trage Pământul de Nemo și vice-versa. F
Cum am calculat cu ce forță trage Pământul de Nemo și vice-versa. Hai, nu te mai izmeni atâta, acuma, că e prima formulă matematică pe care o citești pe site-ul ăsta.

Isaac Newton a fost un băiat tare dăștept. El e tipul care a descoperit spectrul luminii vizibile și a inventat calculul integral și diferențial (nu l-am folosit niciodată, dar am auzit că este mare brânză în matematică), dar ce ne interesează pe noi aici este că tot el a descoperit și gravitația. Adică și-a dat seama de ea, ce este și ce face. El și-a dat seama că fiecare particulă din Univers atrage o altă particulă din Univers, folosind o forță direct proporțională cu produsul maselor lor, dar invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Cu alte cuvinte: cu cât obiectele sunt mai mari (au masă mai mare), atracția gravitațională e mai mare, dar cu cât distanța dintre ele este mai mare, atracția gravitațională este mai mică. Fix asta spune și formula din imaginea din dreapta: F1 și F2 reprezintă forța cu care ambele corpuri trag către celălalt. m1 este masa primului corp (Pământul, să zicem), m2 este masa celui de-al doilea (Nemo). r este distanța dintre centrele celor două corpuri, iar G este constanta gravitațională (6.674×10^−11 N · (m/kg)^2).

einsteingravityAlbert Einstein a fost un alt băiat dăștept care a citit atent ce a scris Newton și și-a dat seama prin teoria generală a relativității și teoria specială a relativității că treaba cu gravitația stă un pic altfel decât știam noi. Imaginează-ți că ai un cearceaf pe care îl întinzi pe orizontală și pe care pui o bilă grea de fier: când o pui pe cearceaf, ea o să tragă un pic de el și o să creeze o adâncitură. Cearceaful reprezintă spațiul, iar bila Pământul (să zicem). Einstein și-a dat seama că gravitația este de fapt adâncitura aia făcută de bilă și că ea este mai mult efectul masei unui obiect asupra spațiului și felul în care îl distorsionează. Uite, ca în imaginea din dreapta. Când un corp ca Luna orbitează un alt corp (să zicem, Pământul), ea se învârte de fapt la marginea adânciturii create de Pământ și de masa lui. Cu cât un obiect este mai masiv (o stea neutronică, o gaură neagră), adâncitura e și mai mare, iar spațiul se întinde și mai mult. 

 

Bun, acum că am reușit să te zăpăcesc, care e gravitația “corectă”? Aia a lui Einstein, nu? Că doar e cea mai nouă. Dar la începutul postării eu însumi am folosit definiția lui Newton. Stai, stai, nu-ți rupe părul din cap. Ambele definiții sunt corecte! Vezi tu, definiția și calculele lui Newton explică la perfecție cazurile pe care le întâlnim noi zi de zi: Pământul, Luna, stelele etc. Dacă vrei să lansezi o rachetă către Lună, să vezi cu ce forță te atrage Pământul, cu ce forță atrage Soarele Pământul sau dacă vrei să calculezi orbitele planetelor, fizica newtoniană este perfectă. N-ai nevoie de mai mult. Dacă, însă, vrei să vezi ce se întâmplă în vecinătatea unei găuri negre, nu ea te mai ajută. Trebuie să treci la artileria grea: relativitatea lui Einstein. Ea pur și simplu a extins orizontul, astfel încât să putem explica felul în care se aplică gravitația la viteze mai mari sau la câmpuri gravitaționale mult mai mari decât ne-am obișnuit noi (găuri negre, de exemplu). Ne așteptăm ca în viitor să apară o teorie care să explice și mai multe și să aplice gravitația în și mai multe locuri. Dar ea n-o să invalideze gravitația Newtoniană și Einsteniană, ci pur și simplu o să le extindă.

 Gravitație, ce te aduce pe aici?
La scară mare gravitația e chiar ușor de înțeles, dar dacă vrei să o studiezi în profunzime nu e de ajuns să stai lipită de stele și planete masive, ci e nevoie să cobori la nivel subatomic, adică la nivelul fizicii cuantice. Fizica cuantică este foarte dubioasă și total contraintuitivă, pentru că nu seamănă cu nimic din ce observăm și simțim noi zi de zi. Uite, de exemplu, forțele pe care le-am enumerat mai devreme nu sunt așa de capul lor, ci sunt purtate de niște particule subatomice. Particulele alea sunt vehiculele, sunt niște pachețele de energie (quanta, cuante) care ajută la “transportul” acestor forțe. Momentan știm de trei astfel de purtători: gluonii (care se ocupă de forța nucleară tare), bosonii W și Z (care se ocupă de forța nucleară slabă) și fotonii (care se ocupă de forța electromagnetică). Singura particulă purtătoare de forță care nu s-a descoperit încă (dar care ne așteptăm să existe) este gravitonul, care se ocupă cu, da, gravitația.

 

 Cum construiești o planetă?

Am trivializat gravitația mai sus nu fiindcă am ceva cu ea, ci doar ca să ți se pară acum și mai mișto. Una din cele mai mari superputeri ale ei este că poate crea planete, stele și galaxii. Și tot face asta de vreo 13,4 miliarde de ani încoace, fără încetare, în absolut orice colț al Universului. Cum reușește?

Ăsta este Sistemul Solar, cum ar fi arătat el acum vreo 4,6 miliarde de ani, iar Soarele abia se aprinsese, și el luând naștere tot datorită gravitației. Mhm, fie că vorbim de nașterea unei stele, fie că vorbim de nașterea unei planete, unei comete, unui asteroid, unui satelit natural, procedeul este aproape identic: se realizează cu ajutorul gravitației. Numai că acum, ca să îți și explic chestia asta de-a dreptul fascinantă, o să lăsăm stelele deoparte și o să ne concentrăm pe ceva mai simplu: pe Pământ…

…care nu e în ilustrația asta.

N-are cum să fie, pentru că nu a luat naștere, încă. În locul lui se află un imens nor de gaze, roci și praf (același nor din care s-a format și Soarele, numit și Nebuloasa Solară sau disc de acreție), iar astea sunt fix ingredientele necesare pentru a crea o planetă! După cum a spus și Newton mai sus, orice particulă (sau corp) din Univers poate atrage gravitațional o altă particulă (sau corp), oricât de mică sau mare ar fi. Adică orice obiect din jurul tău are o atracție gravitațională: mouse-ul de la calculator, noptiera ta, pantalonii tăi, noptiera ta, pisica ta, tu, mama ta, mașina ta de spălat, mașina ta, absolut totul are o atracție gravitațională. Firește, efectul ăsta, deși există, este insignifiant (pentru că depinde foarte mult de cât de masiv e un corp), așa că atunci când ești atrasă de cineva de care-ți place, nu ești atrasă doar la figurat, ci și la propriu.

Un disc de acreție (ca ăla din imaginea de mai sus) poate sta liniștit și inert timp de milioane de ani, dar la un moment dat tot îl deranjează ceva și îi strică Feng Shui-ul: poate e o supernovă din vecinătate, poate a trecut o stea prin apropiere sau poate chiar steaua din mijlocul lui a răbufnit în momentul nașterii, împrăștiind unde de șoc. Din câte știm, acum 4,6 miliarde de ani au avut loc una sau mai multe supernove (explozia violentă care pune capăt vieții unei stele bătrâne) în vecinătatea Soarelui, iar o undă de șoc de-a unei astfel de supernove este posibil să fi stricat echilibrul fragil al discului de acreție. În momentul acela, gravitația a preluat hățurile, iar pietricelele din nor s-au lovit între ele, au fuzionat, formând bucăți și mai mari, care au atras bucăți mai mici de rocă, formând bucăți ȘI mai mari, atrăgând bucăți mai mici etc. Nu știm exact cum arăta prima pietricică ce a văzut o altă pietricică gonind spre ea, cu gândul de a forma o planetă, dar putem specula că a zis ceva de genul:

‘ga-mi-aș…

Pietricele, pietre și bolovani care conțineau tot felul de elemente chimice (provenite din nebuloasa solară, care la rândul ei le-a primit de la o supernovă) s-au tot adunat și așa a luat naștere Pământul (și, practic, oricare altă planetă din Sistemul Solar, împreună cu sateliții lor naturali sau cu asteroizii din jur). Important e să fie ceva care să dea un mic imbold, că după aia preia gravitația controlul.

 De ce n-avem planete cubice?
AS17-148-22727_lrgPământul e sferic, Jupiter e sferică, Pluto e sferică. Orice planetă (că e planetă propriu-zisă sau pitică) e sferică. Dar oare ar putea fi vreodată cubice sau piramidale? Sau măcar un disc mic, acolo…

Răspunsul este NU, iar asta are (firește) treabă tot cu gravitația.

Gravitația nu discriminează. Când un corp atrage materie, el o atrage în mod egal, din toate părțile, către centrul lui de gravitație. Singurul mod prin care o planetă poate atrage toată materia cât mai aproape de centrul ei este să formeze o sferă. Asteroizii, în schimb, arată ca niște cartofi spațiali glorificați, pentru că (fiind mici și nefiind destul de masivi) nu au destulă atracție gravitațională ca să învingă rezistența lor și să înceapă să se formeze ca sferă. De aceea, un obiect trebuie să fie destul de masiv, ca să devină sferic. În mare, cam asta e.

Acum știu că e cineva acolo, în spate, care își dă ochii peste cap: “Frateee! Planetele nu sunt sferice!” Da, da, știu, planetele nu sunt perfect sferice: ele se și învârt, ceea ce le face să fie mai turtite la poli și mai bombate la ecuator (Saturn e cu 10,7% mai gros la ecuator, Jupiter cu 6,9%, Pământul cu 0,3%, iar Marte cu 0,6%). Așa, să mulțumim și pedanții.

 

 Ochelari galactici

This NASA/ESA Hubble Space Telescope picture may trick you into thinking that the galaxy in it — known as UZC J224030.2+032131 — has not one but five different nuclei. In fact, the core of the galaxy is only the faint and diffuse object seen at the centre of the cross-like structure formed by the other four dots, which are images of a distant quasar located in the background of the galaxy. The picture shows a famous cosmic mirage known as the Einstein Cross, and is a direct visual confirmation of the theory of general relativity. It is one of the best examples of the phenomenon of gravitational lensing — the bending of light by gravity as predicted by Einstein in the early 20th century. In this case, the galaxy’s powerful gravity acts as a lens that bends and amplifies the light from the quasar behind it, producing four images of the distant object. The quasar is seen as it was around 11 billion light-years ago, in the direction of the constellation of Pegasus, while the galaxy that works as a lens is some ten times closer. The alignment between the two objects is remarkable (within 0.05 arcseconds), which is in part why such a special type of gravitational lensing is observed. This image is likely the sharpest image of the Einstein Cross ever made, and was produced by Hubble’s Wide Field and Planetary Camera 2, and has a field of view of 26 by 26 arcseconds.

Mai e o chestie foarte mișto pe care gravitația o poate face: să devieze lumina, prin efectul de lentilă gravitațională (gravitational lensing). Dar pentru asta ai nevoie de un obiect cu adevărat masiv, cum ar fi o gaură neagră sau o galaxie întreagă, care să fie pe post de lentilă. În fotografia alăturată (făcută de telescopul spațial Hubble) vezi o structură care se numește Crucea lui Einstein și ai putea să juri că vezi 5 stele, dar mnuuuu! Nu-i adevărat. Ce vezi tu aici este, de fapt și de drept, o singură galaxie (în centru) și un cuasar. Adică partea mișțo e că toate punctele alea patru din jurul galaxiei sunt una și aceeași chestie! Adică sunt același corp, același obiect. Care-i șmecheria?

Gravitational_lensGalaxia din centru este numită Lentila lui Huchra și se află la 400 de milioane de ani-lumină distanță de noi, în timp ce cuasarul se află la 8 miliarde de ani-lumină. Galaxia este mult mai aproape, iar coincidența face că, văzută din perspectiva noastră, se află fix în fața cuasarului. Și mai bine, lentila lui Huchra este masivă (pentru că e o galaxie, deci are miliarde de stele în ea și ditamai gaura neagră în centru), atât de masivă încât îndoaie spațiul și lumina din jurul ei. Practic, lumina cuasarului vine fix din spatele ei, dar datorită gravitației, este îndoită. Galaxia se poartă fix ca o lentilă.

In the centre of this image, taken with the NASA/ESA Hubble Space Telescope, is the galaxy cluster SDSS J1038+4849 — and it seems to be smiling. You can make out its two orange eyes and white button nose. In the case of this “happy face”, the two eyes are very bright galaxies and the misleading smile lines are actually arcs caused by an effect known as strong gravitational lensing. Galaxy clusters are the most massive structures in the Universe and exert such a powerful gravitational pull that they warp the spacetime around them and act as cosmic lenses which can magnify, distort and bend the light behind them. This phenomenon, crucial to many of Hubble’s discoveries, can be explained by Einstein’s theory of general relativity. In this special case of gravitational lensing, a ring  — known as an Einstein Ring  — is produced from this bending of light, a consequence of the exact and symmetrical alignment of the source, lens and observer and resulting in the ring-like structure we see here. Hubble has provided astronomers with the tools to probe these massive galaxies and model their lensing effects, allowing us to peer further into the early Universe than ever before. This object was studied by Hubble’s Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) and Wide Field Camera 3 (WFC3) as part of a survey of strong lenses. A version of this image was entered into the Hubble’s Hidden Treasures image processing competition by contestant Judy Schmidt. La fel se întâmplă și cu structura din fotografia alăturată, numită grupul de galaxii Cheshire Cat (pentru că zici că seamănă fix cu faimoasa pisică din Alice în Țara Minunilor). “Ochii” sunt două galaxii foarte strălucitoare, care acționează ca niște lentile, cu gravitația lor masivă. Conturul “capului” și “zâmbetul” nu sunt niște nebuloase, ci un grup de galaxii care se află în spatele “ochilor”. La fel ca la Crucea lui Einstein, lumina lor este deviată și distorsionată de gravitația masivă a celor două galaxii din centru.

 

Mă, pentru o forță foarte slabă, gravitația știe să facă destul de multe chestii. Și contrar titlului postării, singurele consecințe neplăcute ar apărea doar dacă vrei să ieși din bloc de pe geamul de la etajul 8, că în rest e mișto rău fenomenul ăsta. Când oi fi mare, vreau și eu să mă fac gravitație. Cred că intră și ea la capitolul ăla de “lucruri complet banale, la care nu te gândești niciodată, dar dacă ești un pic pe fază sunt de-a dreptul fascinante”.

Acum știi.