Bd. Carol I. Nr.20A, 700505 Iași, România [304589]

Universitatea „Alexandru Ioan Cuza” Iași

Facultatea de Geografie și Geologie

Departamentul de Geografie

Bd. Carol I. Nr.20A, 700505 – Iași, România

Tel.: +4.0232.20.1075,e-mail: [anonimizat]

http://www.geo.uaic.ro/

GRAVITATIA IN UNIVERS

–Materia: Geografie Fizică Generală–

Cadru didactic Lucrări Practice:

Sef lucr.dr. Andrei Enea

Autori:

Stefan Razvan Mardare

Robert Mihai Iordache

George Alexandru Dascalu

CUPRINS

I. Introducere

Ce este cu adevărat gravitația?

[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]. Dar ce înseamnă cu adevărat? Ce este gravitația?

Gravitația joacă un rol important în a face universul așa cum este. [anonimizat], luni, și stele.

[anonimizat], Soarele. [anonimizat].

[anonimizat] o forță a cărei intensitate depinde de masele acestora.

Pentru a avea o [anonimizat].

Universul este constituit din totalitatea corpurilor și fenomenelor cosmice și a spațiului dintre ele. Este cel mai vast si mai complex sistem de organizare și de manifestare a materiei. Deși a [anonimizat] a reușit să exploreze doar o [anonimizat] i se spune Univers observabil sau Metagalaxie. [anonimizat] a [anonimizat].

[anonimizat]. Totodată, [anonimizat]; ea doar își schimbă continuu formele de organizare.

Să privim un om de pe Pământ. [anonimizat]. Însă, pământul acționează de parcă toată materia lui s-ar afla în centru.

Însă, pământul acționează de parcă toată materia lui s-ar afla în centru. [anonimizat], de distanța față de centrul Pământului.

Forța gravitațională de pe malul mării este mai mare decât cea de pe vârful unui munte. Acum, [anonimizat]. Forța sa devine și mai slabă.

[anonimizat]. Nu este atras de nimic. El nu mai are nici greutate.

[anonimizat], astronauții fără greutate și obiectele plutesc în aer. Astfel apare fenomenul de imponderabilitate.

II. Conținut

,,[anonimizat], se găsește astăzi într-o [anonimizat] – care nu are decăt foarte puțin sau deloc de-a face cu progresul rapid din alte ramuri ale științei.”

G. GAMOW,

Laureat al Premiului Nobel

Studiile facute de-a [anonimizat]-[anonimizat] s-a [anonimizat], [anonimizat], stele, galaxii.Nașterea și evoluția planetei noastre a fost o consecință a unui șir neîntrerupt de dezastre. Începutul sistemului nostru solar și implicit al Terrei a depins de moartea unei stele masive. Atunci când o stea de dimensiuni mari se stinge are loc o explozie colosală în urma căreia sunt aruncate în spațiul cosmic cantități impresionante de materie. Materialul rămas în urma unei asemenea explozii se adună treptat sub efectul gravitației pentru a forma noi stele și planete.

Pământul și Luna sunt menținute alături pe orbită în jurul Soarelui de un echilibru rezultat din interacțiunea dintre forța centrifugă, care încearcă să le despartă și atracția gravitațională reciprocă care încearcă să le apropie. Gravitația Lunii are efecte observabile asupra Pământului, unde produce maree. De asemenea, existența Lunii pe orbită stabilizează mișcarea de rotație a Pământului, făcând posibilă succesiunea predictibilă a anotimpurilor.

De cealaltă parte, chiar dacă pe Lună nu există oceane și mări, forța gravitațională terestră are efecte asupra formelor de relief selenare. Planeta noastră determină formarea unor încrețituri, a unor dealuri și depresiuni la suprafața Lunii, pe măsură ce satelitul nostru se micșorează încet.

Această micșorare a diametrului Selenei nu este un motiv de îngrijorare. Ea se produce pe măsură ce interiorul selenar se răcește, permițând solidificarea unor regiuni parțial topite din mantaua lunară. Astfel Luna se micșorează puțin câte puțin, fenomen în urma căruia crusta se încrețește. Aceste încrețituri formează la suprafața selenară niște proeminențe și depresiuni asemănătoare celor observate pe planeta Mercur și care au mai puțin de 10 kilometri lungime și câțiva zeci de metri înălțime.

În cursul anului 2010 sonda NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) a descoperit 14 astfel de forme de relief care au fost adăugate la cele 70 deja cunoscute, ce sunt răspândite aleator la suprafața lunară. Analiza acestor forme de relief i-a determinat pe oamenii de știință să ajungă la concluzia că Luna se micșorează.

Relativitatea generală (RG) sau teoria relativității generale (TRG) este teoria geometrică a gravitației publicată de Albert Einstein in 1915/16. Ea unifică relativitatea specială, legea atracției universale a lui Newton si ideea că accelerația gravitațională este un efect al curburii spațiu timpului. RG generală precizează că efectul de curbare al spațiu-timpului este produs de conținutul in masă-energie si impuls al materiei din spațiu timp. Există si alte teorii (alternative) ale gravitației dar RG se deosebește de acestea prin aceea că se bazează pe ecuatiie de câmp ale lui Einstein pentru a lega conținutul material al spațiu-timpului de curbura acestuia.

Relativitatea generală este astazi cea mai de succes teorie a gravitației, acceptată universal ca fiind corectă si foarte bine verificată experimental si observațional. Primul mare succes al teoriei a constatat in explicarea precesiei anomale a periheliului planetei Mercur – si apoi al tuturor planetelor din sistemul solar (inclusiv Luna).

Apoi in 1919, Sir Arthur Eddington anunță (dupa o serie de observații ale unei expediții britanice in timpul eclipsei totale de Soare) ca stelele vizibile in jurul discului Solar in timpul eclipsei confirmă predictia RG ca obiectele masive (Soarele in acest caz) deformează mersul razelor de lumină de la aceste stele.

De atunci incoace, aceste masuratori au fost repetate de mii de ori, si alte multe observații si experimente, au confirmat predicțiile relativitații generale, incluzând dilatarea gravitațională a timpului, deplasarea spre rosu gravitațional (sistemul GPS actual folosește acest efect), intîrzierea semnalului radar si, nu in cele din urmă radiația/undele gravitațonale. In plus, numeroase observații astrofizice moderne sunt azi interpretate ca o confirmare a uneia din cele mai misteroase si exotice predicții ale TRG si anume existența gaurilor negre.

Figură Gaura neagră cu masa de 10 mase solare vazuta de la 600km.(sursa: http://universul-atestat.blogspot.ro/)

Se poate observa distorsiunea gravitațională a imaginii stelelor Galaxiei noastre pe fundal.

Cand o stea explodează ramane in urma un miez. Daca are de peste 3 ori masa Soarelui, miezul se contractă intr-un punct de volum 0 dar densitate infinită. Campul gravitațional al acestuia este atât de puternic incât creeaza in jur o regiune numita gaură neagră; odată intrat in gaură, nimic, nici macar lumina nu mai poate ieși.

O gaură neagră este un obiect astronomic limitat de o suprafață în interiorul căreia câmpul gravitațional este atât de puternic, încât nimic nu poate scăpa din interiorul aceastei suprafațe, cunoscută și sub denumirea de „orizontul evenimentului” (nici radiația electromagnetică nu poate scăpa dintr-o gaură neagră, astfel încât interiorul unei găuri negre nu este vizibil, de aici provenind și numele).Orizontul evenimentului (event horizon) în teoria relativității generalizate este o limită în spațiu-timp dincolo de care evenimentele nu pot afecta un observator extern. Gaura neagră are în centrul ei o regiune cunoscută drept „singularitate“ gravitațională (o regiune în care curbura spațiu-timpului devine infinită).

Teoria corzilor

Teoria corzilor este cea mai populară teorie cuantică a gravitației. Conform teoriei corzilor, gravitonii responsabili cu gravitația, sunt ochiuri inchise, fara terminații cu care să se fixeze si pot trece in alte dimensiuni, slăbind forța gravitației in raport cu celelalte forțe. In anul 1984, Michael Green si John Schwarz erau convinși ca teoria corzilor era corectă, ca corzile pot descrie gravitația si celelalte forțe, deci pot unifica forțe diferite. Fizicienii teoreticieni ca Ed Witten consideră in 1995 că extra dimensiunile adaugate permit unei coarde să se intindă, formând ceva ca o membrană, sau un “brain” (creier). O p-brana este un obiect spațio-temporal care este o solutie a ecuațiilor lui Einstein la energii joase in Teoria Corzilor. Densitatea sa energetică este cea a unui câmp negravitațional inchis intr-un subspațiu p-dimensional al spațiului cu 9 dimensiuni al teoriei (super)corzilor. (Care “trăiesc” intr-un spațiu cu 9 dimensiuni spațiale si una temporală).

Deși efectele gravitației sunt colosale, la nivel atomic, interacțiunile gravitaționale sunt mult mai slabe decât cele nucleare sau decât cele electromagnetice. Gravitația este cea mai slaba dintre cele 4 forțe fundamentale.

Teoria cea mai populară care ofera raspunsuri la aceste mistere este teoria stringurilor. Dacă aceasta va fi confirmată sau infirmată, speram ca vom vedea dupa rezultatele experimentelor de la Large Hadron Collider.

Large Hadron Collider se află in cautarea raspunsurilor. Cercetatorii speră să poată obține pe cale artificială particulele responsabile pentru gravitație, numite gravitoni. Daca acest lucru se va întampla, am putea detecta apariția lor in cele trei dimensiuni accesibile nouă. Gravitonii, dacă vor fi produși, nu vor sta “in lumea noastră” decât pentru cateva clipe, ca mai apoi să dispară în cele mai misterioase dimensiuni ascunse simțurilor noastre. Deoarece gravitonul este o particulă de energie radiantă si este generată perpetuu de corpurile cu propietăți gravifice, rezultă că are o masa materială de inerție liniară (impuls) si se deplasează cu o viteză egala cu cea a luminii sau mult mai mare. Gravitonul este posibil sa sufere in decursul timpului o deplasare spre rosu, o scadere a energiei lui chiar pâna la zero. Dacă gravitonul ar avea o viată vesnică atunci teoretic Universul s-ar indrepta spre o moarte termică, totul trebuind sa devină materie ponderală cu o densitate care tinde la zero. Universul nostru este format din 4 dimensiuni: sus-jos, fată-spate, stanga-dreapta si timpul. Restul, pana la 11 nu le percepem, 6 fiind infășurate iar una le conține pe cele 10. Universul nostru se află pe o membrană infinită in lungime, dar foarte îngustă. Ciocnirea dintre membrana ce contine universul nostru si cea a unui univers paralel a dus la Big Bang.

Einstein, ilustrează macrouniversul ca o țesatură elastică pe care o pot deforma si întinde stelele si planetele. Aceste deformâri si curburi creează ceea ce simțim a fi gravitație. Atracția gravitatională ce ține Pamântul pe orbită in jurul Soarelui este consecinta faptului ca planeta noastră urmează curburile si contururile pe care Soarele le creează în structura spațială.

Dacă reprezentăm printr-o membrană cele 3 dimensiuni spațiale în care trăim, atunci particulele precum electronii și quarcurile pot fi imaginate ca fiind corzi ale căror capete sunt fixate și constrânse în interiorul acestor 3 dimensiuni (fixate deci de acea membrană). Le-am putea reprezenta astfel:

Figură Particule fundamentale conenctate la o membrana reprezand spatiul tridimensional.(sursa:http://www.scientia.ro/stiinta-la-minut/54-scintilatii-stiintifice-fizica/315-gravitatia-si)

Conform teoriei stringurilor, particula purtătoare a forței gravitației, gravitonul, este însă o buclă închisă. Nu are capete prin fixarea cărora să fie constrânsă a "vibra" doar în cele trei dimensiuni pe care noi le percepem. Astfel că, dacă există dimensiuni spațiale suplimentare, gravitația se va propaga liber prin toate, și nu doar în cele 3 familiare nouă (în mod similar celui descris în paragraful anterior referitor la intensitatea luminoasă). Iar această propagare ar putea explica faptul că noi percepem interacțiunile gravitaționale ca fiind slabe. Noi simțim doar o mică fracțiune din puterea reală a gravitației deoarece mare parte a acesteia "se strecoară" în celelalte dimensiuni.

Și totuși, unde "se ascund" aceste dimensiuni suplimentare ? O explicație posibilă este că ele există peste tot în jurul nostru, dar sunt atât de mici încât nu pot fi detectate. Dacă privim un fir sau o sfoară dintr-un anumit material de la o distanță suficient de mare, acesta este percepută ca fiind o linie, altfel spus o figură unidimensională. Dar pe măsură ce ne apropiem, sau dacă am fi cu mult mai mici în comparație cu grosimea acelui fir, celelalte dimensiuni ale firului ar ieși cu ușurință în evidență. Dacă privim din ce în mai în profunzime, fiecare punct al spațiului devine o figură multidimensională. Ar putea arăta cam în acest fel dacă am fi suficient de mici cât să putem percepe obiectele la această dimensiune:

Figură 3 Extradimensiuni (sursa:http://www.scientia.ro/stiinta-la-minut/54-scintilatii-stiintifice-fizica/315-gravitatia-si)

Potrivit teoriei lui Einstein, Universul nostru poate fi asemuit unei pânze (continuul spațio-temporal) elastice, pe suprafața căreia „se mișcă” toate obiectele cosmice (galaxii, stele, planete etc.).

La fel ca si o corabie care deformează, prin greutatea sa, suprafața marilor, și aceste obiecte cosmice deformează „pânza” Universului (continuul spațio-temporal einsteinian), producând o curbură datorată gravitației.

Figură 4 Unde gravitationale(sursa:https://www.google.ro/search?q=gravitational+waves&biw=1920&bih=925&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjTi762pJLQAhVF1hQKHWoLBr0Q_AUICCgB#tbm=isch&q=unde+gravitationale&imgrc=-BfnZZz4mHca_M%3A)

Cu cât corpul ceresc va fi mai masiv, cu atât curbura va fi mai mare și, deci, și gravitația.

Ca să continuăm exemplul, corăbiile lasă-n urma lor șiruri de valuri înspumate care se deplasează perpendicular pe direcția de înaintare a navei până când, devenind din ce în ce mai mici, se amortizează și se pierd în unduirile firești ale mării. Tot astfel, și obiectele cosmice creează, în deplasarea lor, „valuri” în „pânza” Universului. Aceste valuri sunt un punct de pornire pentru atracția gravitațională dintre două corpuri cerești.

Aceste „valuri” nu sunt altceva decât undele gravitaționale, forțe care se propagă cu viteza luminii. Însă intensitatea acestor unde gravitaționale este atât de mică, încât mai degrabă putem zări de pe Pământ o monedă strălucind pe Neptun, decât să înregistrăm undele gravitaționale.

Undele gravitaționale au o structură asemănătoare cu cea a luminii. Ele sunt un tip radiații electromagnetice, doar că ondulațiie lor sunt, de fapt, spațiul și timpul pe care le cunoaștem cu toții. Putem face următoarea comparație: dacă punem în mișcare particule încărcate electric, obținem lumină, dar, în momentul în care punem în mișcare mase întregi de materie, obținem unde gravitaționale.

Figură 5 Unde gravitationale, vibratii ale spatiu timpului(sursa:https://www.google.ro/search?q=unde+gravitationale&rlz=1C1AVNA_enRO716RO716&espv=2&biw=1920&bih=925&tbm=isch&source=lnms&sa=X&ved=0ahUKEwil1-PTppLQAhUBuxQKHdtTAsEQ_AUIBygC#imgrc=2u2HIRKcFKFa8M%3A)

Astea ar fi undele gravitaționale: niște vibrații ale spațiu-timpului provocate de obiectele masive (care, de altfel, și curbează spațiu-timpului asta.) In pricipiu aceste unde gravitaționale sunt o predicție cheie pentru Teoria Relativitații ,si pentru tot ce a însemnat descoperirile in acest sens.

III. Concluzii

În concluzie , conform tuturor studiilor facute pana in prezent . gravitația reprezintă una dintre cele mai mari forțe fundamentale din Univers. Dar totdată gravitația continuă sa fie cea mai mare enigma a acestei lumi , inca de nepătruns. Știm ca există, știm cum actionează ,dar nu știm ce este. Cu puțin inainte de moartea sa, probabil cu gandul la misterul gravitației, Newton a scris cu smerenie: Cu putin inainte de moartea sa, probabil cu gandul la misterul gravitației, Newton a scris cu smerenie “Nu știu ce am parut lumii că sunt, dar mie însumi mi-am părut doar un baiețel care se joacă pe malul mării … care la un moment dat gasește o piatră mai netedă sau o scoică mai deosebită decăt cele obisnuite, in timp ce marele ocean se întinde nedescoperit inaintea mea.”

Gravitația este cea care menține stelele și galaxiile laolaltă. Deși este mai slabă decât celelalte forțe fundamentale din natură, ea acționează la distanțe mari între toate corpurile cu masă și a jucat un rol important în formarea Universului. Gravitația are un rol crucial în formarea orbitelor și producerea unor fenomene precum inelele planetelor și găurile negre.

Probabil ne vor mai trebui ani sau chiar secole pentru a ințelege si chiar controla acest fenom care reprezintă o parte destul de mică din misterele Universului.

IV. Bibliografie

http://1.bp.blogspot.com

Descopera.org – Știință și cultură

NEW

http://www.physics.org

http://www.damtp.cam.ac.uk

Home

Anexa 1. Lista de figuri

Figură 1 Gaura neagră cu masa de 10 mase solare vazuta de la 600km.(sursa: http://universul-atestat.blogspot.ro) 4

Figură 2 Particule fundamentale conenctate la o membrana reprezand spatiul tridimensional.(sursa:http://www.scientia.ro/stiinta-la-minut/54-scintilatii-stiintifice-fizica/315-gravitatia-si) 6

Figură 3 Extradimensiuni (sursa:http://www.scientia.ro/stiinta-la-minut/54-scintilatii-stiintifice-fizica/315-gravitatia-si) 7

Figură 4 Unde gravitationale(sursa:https://www.google.ro/search?q=gravitational+waves&biw=1920&bih=925&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjTi762pJLQAhVF1hQKHWoLBr0Q_AUICCgB#tbm=isch&q=unde+gravitationale&imgrc=-BfnZZz4mHca_M%3A) 7

Figură 5 Unde gravitationale, vibratii ale spatiu timpului(sursa:https://www.google.ro/search?q=unde+gravitationale&rlz=1C1AVNA_enRO716RO716&espv=2&biw=1920&bih=925&tbm=isch&source=lnms&sa=X&ved=0ahUKEwil1-PTppLQAhUBuxQKHdtTAsEQ_AUIBygC#imgrc=2u2HIRKcFKFa8M%3A) 8