Motivul pentru care timpul trece mai repede pe un munte decât la nivelul mării

În februarie 1919, Frank Dyson, de la Observatorul Regal Greenwich, și Arthur Eddington, de la Universitatea Cambridge, au aranjat ca două echipe de astronomi să observe și să fotografieze o eclipsă de Soare care urma să aibă loc în luna mai a aceluiași an.

O echipă a fost stabilită în Sobral, Brazilia, iar cealaltă pe mica insulă Principe, în largul coastei de vest a Africii.
Expedițiile aveau ca scop testarea teoriei relativității generale a lui Albert Einstein. Publicată în 1915, după ani de încercări și erori matematice, teoria s-a dovedit a fi controversată în rândul comunității științifice de la acea vreme.

Una dintre previziunile relativității generale a fost că lumina care trece pe lângă un obiect precum Soarele va părea să se curbeze. Din cauza mărimii lor, susținea teoria lui Einstein, corpurile astronomice ar provoca o distorsiune în spațiu-timp, astfel încât chiar și undele luminoase - care se deplasează la limita absolută a vitezei cosmice de 300.000 de kilometri pe secundă și în linii perfect drepte - s-ar distorsiona și ele.

Întunericul unei eclipse le-a oferit astronomilor ocazia de a observa stelele care apar cel mai aproape de Soare din perspectiva Pământului, care altfel ar fi fost complet șterse de strălucirea stelei noastre.

Misiunea echipelor a fost un succes. După ce au fotografiat un grup de stele cunoscut sub numele de Hyades, situat în constelația Taurus, au comparat imaginile cu fotografii de referință ale aceluiași grup, realizate noaptea, pentru a calcula orice diferență potențială cauzată de prezența Soarelui.

În luna noiembrie a aceluiași an, atât Dyson, cât și Eddington au anunțat că descoperirile lor susțin teoria. Scepticii au fost reduși la tăcere, iar Einstein și munca sa au fost instantaneu catapultați la faimă.

Relativitatea generală poate fi descrisă ca fiind una dintre cele mai profunde viziuni științifice asupra Universului pe care omenirea le-a elaborat vreodată. După ce Eddington și Dyson și-au anunțat rezultatele, fizicianul J.J. Thomson ar fi descris teoria lui Einstein ca fiind „un întreg continent de idei științifice„.

Curbura luminii în jurul obiectelor astronomice masive este doar una dintre manifestările fizice ciudate pe care le descrie teoria.

De altfel, teoria este, în esență, o cheie pentru umanitate, care ne arată că spațiul este flexibil și că Universul este ciudat. Deși poate că este o descriere lipsită de grație din punct de vedere tehnic, acesta este adevărul esențial al mediului în care locuiește toată lumea și totul.

Cel mai simplu mod de a explica această teorie este că masa unui obiect este corelată cu forța sa gravitațională. Cu cât masa este mai mare, cu atât forța gravitațională este mai mare, iar cu cât forța este mai mare, cu atât se produce o mai mare distorsiune a spațiului.

Ceea ce este ciudat de reținut este că efectele gravitației sunt rezultatul vizibil al distorsionării țesăturii spațiu-timpului. Dacă arunci o bilă din vârful unui zgârie-nori, aceasta nu cade atât de mult în cădere liberă printr-o matrice stabilă a spațiului, cât urmează curbura spațiului până la sol.

Aici lucrurile devin cu adevărat ciudate. Deoarece această țesătură este compusă din patru dimensiuni - trei dimensiuni spațiale și una temporală - corpurile cosmice masive „îndoaie" și timpul. Cele două sunt inextricabil legate una de cealaltă, de unde și expresia „spațiu-timp".

Așadar, dacă este plasată pe orbita Pământului, această bilă va cădea spre suprafața planetei din cauza curburii spațiului. Dar, după cum am observat, timpul este o dimensiune a poziției acestei bile. Pe măsură ce curbura spațiului o apropie fizic de Pământ, curbura timpului deplasează bila înainte în timp.

Profesorul Eric Poisson este fizician teoretician și director de cercetare la Departamentul de Fizică al Universității din Guelph, Ontario, Canada. Munca sa ajută oamenii de știință din întreaga lume să înțeleagă mai bine unele dintre cele mai misterioase corpuri astronomice din Univers: găurile negre, stelele neutronice și undele gravitaționale pe care acestea le produc.

Conform acestuia, timpul nu va curge întotdeauna în același mod din cauza efectelor relativității generale, iar acest lucru este valabil chiar și atunci când este măsurat în locuri diferite de pe Pământ. „Unul dintre primele lucruri pe care Einstein le-a descoperit este că, dacă ai două ceasuri, iar unul se mișcă în raport cu celălalt, acestea vor ticăi la viteze diferite. Al doilea lucru pe care ne-a învățat a fost că nu este vorba doar de mișcările relative dintre ceasuri, ci și de poziția relativă într-un câmp gravitațional. Astfel, un ceas aflat în adâncul unui câmp gravitațional va funcționa mai lent decât un ceas aflat departe de orice sursă de gravitație. "

Acesta este motivul pentru care un ceas care funcționează în vârful Muntelui Everest va măsura timpul în mod diferit față de un ceas care ticăie la nivelul mării, de exemplu, ceasul din vârful muntelui funcționând doar puțin mai repede decât cel de la o altitudine mai mică.

Cu toate acestea, majoritatea ceasurilor nu sunt suficient de sensibile pentru a înregistra această diferență, care se ridică la câteva milionimi de secundă. Deși poate părea un fapt științific interesant, acesta dezvăluie de fapt modul în care relativitatea generală ne afectează viața de zi cu zi.

Sistemul GPS implică ceasuri aflate pe orbită. Acele timestamp-uri care ne parvin prin semnale radio sunt prelucrate pentru a dezvălui o poziție pe Pământ. Avem o mulțime de ceasuri care ticăie în diferite locuri de pe orbită, cu ritmuri diferite, în special diferite de cele de pe Pământ. Dacă nu am fi știut despre această diferență (temporală) datorată gravitației, am fi descoperit că întregul sistem nu funcționează așa cum a fost planificat. Este un aspect foarte fundamental al gravitației pentru noi în fiecare zi.

Poisson și alți astrofizicieni iau acum relativitatea generală și o folosesc în noi direcții.

Cercetările sale se ocupă în mare parte de găurile negre și de undele gravitaționale pe care acestea le produc, pentru care a primit în 2005 Medalia Herzberg din partea Asociației Canadiene a Fizicienilor. Datorită muncii sale, alături de cea a fostului său consilier universitar Werner Israel, înțelegem mai bine mecanismele interne ale găurilor negre, cel mai confuz lucru din Universul observabil, scrie omofon.com.

Undele gravitaționale sunt un fenomen cosmic prezis de Einstein în 1916 și observat pentru prima dată în 2015 de către LIGO Scientific Collaboration, un grup de oameni de știință dedicat detectării și utilizării undelor ca un nou instrument de studiu al Universului.

Contribuția lui Poisson la detectarea acestor unde a fost crucială. La începutul anilor 1990, a lucrat timp de trei ani sub conducerea lui Kip Thorne, unul dintre membrii fondatori ai LIGO, care a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 2017, împreună cu Rainer Weiss și Barry C. Barish. Modul lui Poisson de a rezolva matematic ecuațiile perturbative ale undelor gravitaționale este o parte esențială a analizelor folosite de grupuri precum LIGO pentru a detecta existența acestora.

Mai simplu spus, undele gravitaționale sunt mici ondulații în țesătura spațiu-timp produse de mișcarea unor corpuri masive precum găurile negre și stelele neutronice. După cum a demonstrat LIGO atunci când și-a publicat rezultatele în revista Physical Review Letters, oamenii de știință dispun acum de tehnologia necesară pentru a măsura efectiv aceste unde, ceea ce implică deplasarea unor fascicule laser foarte sensibile.

„Sperăm că în anii 2030 vom putea lansa în spațiu detectoare de unde gravitaționale. Marea provocare constă în măsurarea acestora", a declarat Poisson. „Partea dificilă este faptul că sunt atât de mici. Practic, este vorba de a folosi raze laser. Dacă aveți două obiecte care se mișcă liber în spațiu, ceea ce se va întâmpla atunci când trece o undă gravitațională este că distanța va începe să oscileze. Ceea ce poți face este să folosești o rază laser pentru a măsura distanța relativă dintre cele două mase".

Din păcate, aproape orice poate perturba această măsurătoare. Din cauza sensibilității detectoarelor de pe Pământ, precum și a dimensiunilor mici ale undelor în sine, tehnologia ar putea înregistra aproape orice altceva în afară de o undă gravitațională. Activitatea seismică este doar un exemplu de fenomen care poate interfera cu citirile. Acesta este motivul pentru care Poisson și alții speră să aibă detectoare pe orbita Pământului în viitorul apropiat.

Poisson este deosebit de încântat de perspectiva ca undele gravitaționale să ne ajute să înțelegem unele dintre misterele fundamentale ale Universului. „Ne aflăm într-o lume în care astronomia se face acum cu ajutorul undelor gravitaționale", a spus el. „Descoperim Universul într-un mod complet nou".

„Când privim Universul, de exemplu, prin lumina vizibilă, vedem anumite lucruri. Când am deschis spectrul electromagnetic pentru a începe să detectăm undele radio, am început să vedem un Univers care era foarte diferit de ceea ce văzusem înainte. Universul vizibil era foarte liniștit, nimic nu se schimbă prea mult pe o scară temporală umană în lumina vizibilă, dar în undele radio, razele X, undele gamma, descoperim un univers foarte agitat", a spus Poisson.

Undele gravitaționale reprezintă o altă fereastră către acest Univers. De data aceasta, însă, este o fereastră către părțile întunecate ale Universului despre care știm foarte puțin.

„Undele gravitaționale tind să fie produse în zone în care se emite foarte puțină lumină. Vedem fuziunea găurilor negre, fuziunea stelelor neutronice, lucruri pe care nu le-am putea detecta în niciun alt mod. Aceasta este promisiunea undelor gravitaționale."

Pentru Poisson, acesta este unul dintre cele mai încurajatoare instrumente pentru a obține o perspectivă asupra istoriei unora dintre cele mai mari corpuri din cosmos. Găurile negre și stelele neutronice se găsesc adesea în perechi cunoscute sub numele de sisteme binare, care se orbitează reciproc la viteze incredibile, producând astfel unde gravitaționale în întregul Univers. Speranța este că analizarea acestor unde ne va ajuta să aflăm cum s-au format aceste sisteme.

În data de 14 septembrie 2015, undele gravitaţionale din Univers au fost observate pentru prima dată. Undele, care au fost prevăzute de Albert Einstein, proveneau din coliziunea a două găuri negre. A fost nevoie de 1,3 miliarde de ani pentru ca valurile gravitaţionale să fie înregistrate de detectorul LIGO (Observator de Unde Gravitaţionale) din Statele Unite.

Simplul fapt că undele gravitaționale au fost observate la aproximativ 100 de ani după predicția lor inițială este o dovadă a virtuților răbdării și consecvenței în cadrul cercetării științifice, un lucru pe care Poisson este convins că trebuie să îl susținem, potrivit omofon.com.

„Nu putem lăsa omenirea în întuneric cu privire la aceste întrebări foarte importante", a subliniat el. „S-ar putea să descoperim că va dura foarte mult timp pentru a răspunde la aceste întrebări, dar, ca umanitate, trebuie să continuăm să încercăm să aflăm răspunsuri".

Datorită cercetărilor și dedicării unor oameni precum Poisson și a strămoșilor și contemporanilor săi științifici, ne apropiem tot mai mult de aceste răspunsuri. Fie ca acestea să fie la fel de fascinante precum s-a dovedit a fi Universul până acum.