De la ecuaţiile lui Newton la relativitatea generală a lui Einstein, concepţia noastră asupra gravitaţiei s-a schimbat de-a lungul timpului. Odată cu recenta descoperire a undelor gravitaționale, putem să ne reamintim cum a evoluat înțelegerea noastră asupra gravitaţiei de-a lungul secolelor.

1687: Gravitația newtoniană

Isaac Newton a publicat Philosophiae Naturalis Principia Mathematica („Principiile matematice ale filozofiei naturale”), lucrare care ne-a oferit o perspectivă cuprinzătoare asupra gravitaţiei. Pe baza acesteia astronomii au putut calcula cu precizie mișcarea planetelor cu o singură excepţie: planeta Mercur.

Orbitele tuturor planetelor sunt caracterizate de precesia periheliului, adică punctul de pe orbită unde planeta se află cel mai aproape de Soare se deplasează ușor, la fiecare rotaţie completă în jurul Soarelui, din cauza efectului gravitațional exercitat de celelalte planete.

Precesia periheliuluiPrecesia periheliului. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

Problema precesiei periheliului planetei Mercur a constat în faptul că deplasarea periheliului observată de astronomi nu se potrivea cu valoarea prezisă de teoria lui Newton. Era vorba de o diferenţă mică, dar suficient de mare pentru ca astronomii să nu o poată neglija!

Newton și precesia periheliului planetei MercurNewton şi problema precesiei periheliului planetei Mercur. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

1859: Planeta Vulcan

Pentru a explica deplasarea anormală a periheliului lui Mercur, Urbain Le Verrier a propus existența unei planete neobservate, denumită Vulcan, care ar orbita aproape de Soare. El a sugerat că gravitaţia planetei Vulcan este cea care perturbă orbita lui Mercur. Observațiile astronomice repetate au infirmat existența planetei Vulcan.

În căutarea planetei VulcanÎn căutarea planetei Vulcan. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

1905: Relativitatea specială

Albert Einstein a revoluţionat fizica prin teoria specială a relativității. Ulterior acesta a încorporat gravitația în ecuațiile sale.

1907: Einstein prezice deplasarea gravitațională spre roșu

Deplasarea gravitaţională spre roșu a fost propusă pentru prima dată de Einstein în timp ce lucra la teoria relativității generale.

Einstein a prezis deplasarea gravitațională spre roșuEinstein a prezis deplasarea gravitaţională spre roşu. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

Einstein a prezis că lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice emisă de atomii aflaţi într-un câmp gravitațional puternic se măreşte atunci când radiaţia electromagnetică evadează din câmpul gravitațional.

1915: Relativitatea generală

Albert Einstein publică teoria generală a relativității. Primul mare succes a fost predicția exactă a orbitei lui Mercur, inclusiv precesia periheliului care nu a putut fi explicată anterior prin teoria lui Newton.

Teoria prezice, de asemenea, existența găurilor negre și a undelor gravitaționale.

Teoria relativității generale a lui EinsteinTeoria relativităţii generale a lui Einstein. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

1917: Einstein teoretizează emisia stimulată a radiaţiei

În anul 1917 Einstein publică o lucrare asupra teoriei cuantice a radiațiilor, indicând faptul că este posibilă emisia stimulată a radiaţiei.

Einstein sugerează că un atom excitat ar putea reveni la o stare de energie mai mică prin emisia de energie sub formă de fotoni într-un proces denumit emisie spontană.

În emisia stimulată, un foton interacționează cu un atom excitat care emite fotoni care au aceeaşi fază, frecvență și direcție de deplasare cu a fotonului iniţial. Acest proces a permis dezvoltarea laserului (amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații).

1918: Predicția efectului de „tragere” a spațiului-timp

Josef Lense și Hans Thirring teoretizează faptul că rotația unui obiect masiv în spațiu distorsionează sau „trage” local spațiul-timp.

1919: Prima observare a lentilei gravitaționale

Lentila gravitațională reprezintă fenomenul de deviere a luminii în jurul obiectelor masive, cum ar fi o gaură neagră, care ne permite să vedem obiectele aflate în spatele acestora. În timpul unei eclipse totale de Soare din anul 1919, stelele aflate în apropierea Soarelui au fost observate în poziţii ușor deplasate. S-a confirmat astfel faptul că lumina este deviată în apropierea Soarelui.

Lentila gravitaționalăLentila gravitaţională. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

1925: Prima măsurare a deplasării gravitaționale spre roșu

Walter Sydney Adams a studiat lumina emisă de la suprafața stelelor masive și a detectat o deplasare spre roșu conformă cu predicţia lui Einstein.

1937: Predicția lentilei gravitaționale galactice

Astronomul elvețian Fritz Zwicky a propus că o galaxie ar putea acționa ca o lentilă gravitațională.

1959: Deplasarea gravitațională spre roșu este confirmată

Teoria deplasării gravitaționale spre roșu a fost testată de către Robert Pound și Glen Rebka care au măsurat deplasarea spre roşu relativă la două surse de raze gamma aflate în partea de sus și de jos a unui turn din cadrul Jefferson Laboratory al Harvard University. Experimentul a măsurat cu precizie variaţia mică de energie a fotonilor care străbăteau distanţa dintre cele două surse.

Testarea deplasării gravitaționale spre roșuTestarea deplasării gravitaţionale spre roşu. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

1960: Laserul este inventat pe baza procedeului de emisie stimulată a radiaţiei

Theodore H. Maiman, un fizician de la Hughes Research Laboratories din California, construiește primul laser.

1960: Prima dovadă privind existenţa găurilor negre

În anii 1960 s-au identificat galaxii care conţineau găuri negre în centrul lor.

În prezent există dovezi că în centrul tuturor galaxiilor mari se află găuri negre masive şi că între stele există găuri negre mai mici.

1966: Prima observare a întârzierii gravitaționale

Astrofizicianul american Irwin Shapiro a sugerat că, dacă relativitatea generală este valabilă, undele radio vor fi încetinite de gravitația Soarelui.

Efectul ShapiroEfectul Shapiro. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

Efectul de întârziere gravitaţională a fost observat în anii 1966 şi 1967 prin măsurarea timpului necesar pentru ca semnalele radar trimise către Venus să se întoarcă pe Pământ. Întârzierea măsurată a fost conformă cu teoria lui Einstein.

În prezent se utilizează efectul de întârziere gravitaţională pentru măsurarea expansiunii Universului.

1969: Alarmă falsă privind descoperirea undelor gravitaționale

Fizicianul american Joseph Weber afirmă că a detectat undele gravitaţionale. Cu toate acestea, rezultatele sale experimentale nu au fost confirmate.

Alarmă falsă privind detectarea undelor gravitaționaleAlarmă falsă privind detectarea undelor gravitaţionale. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

1974: Dovezi indirecte privind existenţa undelor gravitaționale

Joseph Taylor și Russell Hulse descoperă un nou tip de pulsar: un pulsar binar. Micşorarea orbitelor pulsarilor care formează un sistem binar este conformă cu energia pierdută de aceştia prezisă de relativitatea generală.

Joseph Taylor și Russell Hulse primesc în anul 1993 Premiul Nobel pentru Fizică pentru această descoperire.

Joseph Taylor și Russell Hulse au primit Premiul NobelJoseph Taylor și Russell Hulse au primit Premiul Nobel în anul 1993. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

1979: Prima observare a unei lentile gravitaționale galactice

Prima lentilă gravitațională extragalactică a fost descoperită atunci când Dennis Walsh, Bob Carswell și Ray Weymann au observat două obiecte identice, doi „quasari”. S-a dovedit că era vorba de un singur quasar care apărea în două imagini separate.

Începând cu anii 1980, lentila gravitațională a devenit un instrument de bază privind studiul distribuției masei în Univers.

1979: Detectorul de unde gravitaţionale LIGO primeşte finanţare

US National Science Foundation asigură fondurile de construcție a Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

1987: O altă alarmă falsă privind descoperirea undelor gravitaționale

O nouă alarmă falsă privind detectarea directă a undelor gravitaţionale de la Joseph Weber (din nou) pe baza unui semnal ce ar fi provenit de la supernova 1987A. Acesta ar fi detectat semnalul cu ajutorul unor cilindri imenşi din aluminiu care vibrează atunci când o undă gravitațională trece prin ei.

1994: Începe construcţia lui LIGO

Construcția detectorului de unde gravitaţionale LIGO a început în cele din urmă la Hanford, Washington și Livingston, Louisiana.

LIGO-detalii constructiveLIGO-detalii constructive.

2002: LIGO începe căutarea undelor gravitaţionale

În august 2002, LIGO începe să caute dovezi privind existenţa undelor gravitaționale.

2004: Verificarea efectului de „tragere” asupra continuumului spaţiu-timp

NASA lansează Gravity Probe B pentru a măsura curbura spațiu-timp în apropierea Pământului. Sonda conținea giroscoape a căror direcţie de rotaţie se modifica ușor datorită distorsiunii spaţiului şi timpului într-un câmp gravitaţional. Efectul este mai puternic în jurul unui obiect aflat în rotație care „trage” spațiu-timpul după el.

Experimentul Gravity Probe BExperimentul Gravity Probe B. Confirmarea efectului de „tragere” asupra continuumului spaţiu-timp. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

Giroscoapele de pe Gravity Probe B s-au înclinat în concordanță cu teoria relativităţii generale a lui Einstein.

2005: Căutarea undelor gravitaţionale de către LIGO s-a încheiat

După cinci ani de căutări, prima fază a LIGO se încheie fără a se detecta undele gravitaționale. Senzorii detectorului sunt modernizaţi pentru creşterea sensibilităţii.

2009: Versiunea îmbunătăţită a lui LIGO (Enhanced LIGO)

O versiune îmbunătăţită a lui LIGO începe o nouă căutare a undelor gravitaționale.

2010: Căutarea undelor gravitaţionale de către versiunea îmbunătăţită a lui LIGO s-a încheiat

Versiunea îmbunătăţită a lui LIGO nu reușește să detecteze undele gravitaționale. Se pregăteşte o modernizare majoră, denumită Advanced LIGO.

2014: Advanced LIGO este finalizat

Se finalizează instalarea şi testarea noului Advanced LIGO.

2015: A treia alarmă falsă privind detecţia undelor gravitaționale

Semnătura indirectă a undelor gravitaționale în Universul timpuriu a fost revendicată de către experimentul BICEP2 care a studiat radiația cosmică de fond. Cu toate acestea, se pare că praful din galaxia noastră a denaturat semnalul detectat de cercetători.

2015: LIGO este modernizat din nou

Advanced LIGO începe o nouă vânătoare de unde gravitaționale având o sensibilitate de patru ori mai mare decât a detectorului LIGO iniţial. În septembrie 2015 se detectează un semnal care se pare că provine din coliziunea a două găuri negre.

2016: Detectarea undelor gravitaționale este confirmată

După verificări riguroase, echipa de cercetători din cadrul Advanced LIGO anunță detectarea undelor gravitaționale.

Bucuria descoperirii undelor gravitaționaleAlbert Einstein şi bucuria descoperirii undelor gravitaţionale. Credit: Wes Mountain/The Conversation, CC BY-ND

Traducere şi adaptare după Timeline: the history of gravity