Gravitația este una din cele patru forţe fundamentale din fizică. La un nivel elementar, gravitația reprezintă, pur și simplu, atracția reciprocă între oricare două mase. Ea este forța care menţine planetele pe orbita lor în jurul Soarelui şi cea care ne ţine şi pe noi legaţi de planeta noastră. Efectul gravitaţiei este întotdeauna de atracţie între corpuri, iar intensitatea forței gravitaţionale dintre două mase variază invers proporţional cu pătratul distanței dintre acestea. Simplitatea formulei forţei gravitaționale ascunde însă un fenomen subtil și complex care rămâne un mister profund.

Legea atracţiei universale propusă de Newton a fost criticată încă de la început datorită modului prin care gravitația ar acționa la distanță. Cum „simte” Luna prezența Pământului și cum ajunge să fie atrasă în direcția acestuia? Au fost propuse câteva soluții, dar fără a se răspunde cu adevărat la aceste întrebări. Din moment ce modelul lui Newton era atât de exact, problema acțiunii la distanță a fost trecută sub tăcere. Indiferent de modul prin care masele ajung să se influenţeze reciproc, pe baza modelului lui Newton se putea calcula mișcarea lor.

O altă dificultate a modelului de gravitaţie propus de Newton a ajuns să fie cunoscută sub numele de problema celor 3 corpuri. Deplasarea a trei sau mai multe corpuri care se influenţează gravitaţional nu poate fi calculată cu exactitate. Mişcarea poate fi aproximată cu o mare precizie, planeta Neptun chiar a fost descoperită prin aceasta metodă, dar o soluție exactă la problema celor trei corpuri nu a fost găsită.

Ideea lui Newton a fost simplă, dar aplicarea acesteia s-a dovedit complicată.

La începutul anilor 1900 s-a constatat că gravitaţia nu este o forță. În modelul lui Einstein, gravitaţia nu este o forță, ci mai degrabă o deformare a spațiului-timp. Practic, masa îi spune spațiului cum să se curbeze, iar spațiul îi spune masei cum să se deplaseze. Relativitatea generală nu este doar un truc matematic pentru a calcula, în mod corect, forța gravitaţională cu care interacţionează obiectele. Aceasta face predicții unice cu privire la comportamentul luminii și materiei, care sunt diferite de predicţiile bazate pe ideea că gravitaţia este o forţă. Într-adevăr spațiul se curbează și, în consecinţă, obiectele sunt deviate şi nu mai urmează o traiectorie dreaptă, ca şi cum asupra lor ar acţiona o forță.

În afara faptului că putem aproxima efectul gravitaţiei cu cel al unei forțe sau că putem descrie gravitaţia ca pe o proprietate a spațiului-timp, în secolul trecut ne-am dat seama că de fapt nu știm ce este în realitate gravitația. Aceasta deoarece modelele teoretice propuse de Einstein şi de Newton pentru gravitaţie se bazează pe mecanica clasică.

Gravitația

Gravitația. Credit: Futurism

În prezent știm că obiectele au proprietăți cuantice, cum ar fi dualismul undă-corpuscul. Atunci când se încearcă să se aplice teoria cuantică pentru descrierea gravitației, lucrurile devin complicate și confuze. În majoritatea teoriilor cuantice, obiectele cuantice există în cadrul continuumului spațiu-timp. Din moment ce gravitația este o proprietate a spațiului-timp, cuantificarea gravitației presupune cuantificarea spaţiului şi a timpului. Există mai multe modele teoretice care încearcă acest lucru, dar niciunul dintre ele nu este un model cuantic complet.

Pe baza înţelegerii actuale a gravitaţiei, putem descrie cu acuratețe mișcarea stelelor și planetelor. De asemenea, s-au putut face unele previziuni aparent ciudate, cum ar fi găurile negre și Big Bang, care au fost confirmate în mod observaţional. Testele experimentale și observaţionale ale relativității generale au validat exactitatea acestei teorii. Obiectele mari ce au o gravitaţie puternică pot fi descrise foarte bine de teoria clasică a gravitaţiei. Pentru obiectele mici, care au o gravitaţie slabă, actualele soluţii aproximative pentru gravitația cuantică sunt destul de bune. Problema apare atunci când vrem să descriem obiecte mici având o gravitaţie puternică, cum ar fi primele momente ale Big Bang-ului.

Fără o teorie completă a gravitației cuantice nu vom înțelege pe deplin primele momente ale Universului. Știm din observații că Universul timpuriu a fost foarte mic și foarte dens. Conform relativităţii generale acest lucru însemnă că Universul a început ca o singularitate. Cu toate acestea, cei mai multe cosmologi nu cred că Universul a început ca o singularitate, dar fără o teorie a gravitației cuantice nu putem fi siguri.

Chiar dacă lăsăm la o parte aspectele cuantice ale gravitației, există încă caracteristici ale gravitaţiei pe care nu le înțelegem. În termenii relativităţii generale, este posibil să existe constanta cosmologică. Dacă se adaugă această constantă la ecuațiile lui Einstein, rezultă că Universul se poate extinde datorită energiei întunecate, ceea ce s-a şi observat. Deşi teoria relativităţii generale nu interzice constanta cosmologică, aceasta nu o impune.

Constanta cosmologică este în acord cu ceea ce observăm, dar există și alte modele teoretice pentru energia întunecată care respectă datele observaţionale (cel puțin pentru moment). În cazul în care energia întunecată se datorează într-adevăr constantei cosmologice, atunci constanta trebuie să aibă o valoare foarte apropiată de zero, de aproximativ 10^-122.

De ce ar avea o constantă o valoare atât de apropiată de zero? De ce ar exista această constantă dacă relativitatea generală nu o impune?

Din păcate nu știm. Fără această înțelegere, originea şi soarta Universului vor rămâne pentru noi nişte taine.

Sursă: Futurism