Орбіта Меркурія повільно коливається навколо сонця, і коли астрономи вирахують потяг усіх інших планет сонячної системи, власні рівняння Ньютона все ще відстають від спостережуваного коливання на 43 дугові секунди за століття. Це звучить як помилка округлення. Насправді це тріщина, яка врешті-решт змусила фізиків переписати гравітацію з нуля.
Гравітація утримує місяці на орбіті, дозволяє річкам текти вниз по схилу і тримає кожного читача на його стільці, але знадобилось більше тисячу років припущень, одне ньютонівське рівняння й мрія одного патентного клерка в Берні, щоб отримати робочий опис цього. Навіть тоді гравітація виявилась досить дивною, що її притяганням між двома електронами є лише 1 частина з 4,17×10⁴² електричного відштовхування між ними — сила настільки слабка на атомній шкалі, що її домінування над планетами та галактиками може здатися суперечністю.
Ось що насправді показує історичний запис: хто припустив гравітацію за століття до Ньютона, як його закон був перевірений і де він розбився, та що його замінило.
Довга Передісторія Гравітації
Ідея про те, що речі падають до Землі, древня, але ідея про те, що гравітація могла б працювати однаково везде, набагато старша за Ньютона. Індійський математик і астроном Брахмагупта, який писав у 628 н. е., описував гравітацію як притяганням, яке тягне об'єкти до Землі — він називав її gurutvakarshan, термін, який передує Principia Ньютона більш ніж на тисячу років.
Набагато раніше, ніж хто-небудь міг виміряти гравітацію з точністю, хто-небудь мав показати, що її притяганням не залежить від того, наскільки важкий об'єкт. У 1586 році фламандський фізик Сімон Стевін кинув дві гарматні ядра дуже різних розмірів і ваг з вежі в Делфті й виявив, що вони ударилися об землю майже одночасно, безпосередньо спостережуване демонстрацією того, що сама вага не визначає, як швидко падає щось.
Рівняння Ньютона, Перевіренее в Підвалі
Ісаак Ньютон вклав спостереження, подібні до спостережень Стевіна, в один закон у Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, книгу, яку він опублікував 5 липня 1687 року. Він звів гравітацію до однієї охайної формули, F = Gm1m2/r², де G — константа, встановлена на 6,674×10⁻¹¹ — число настільки мале, що його вплив між двома звичайними об'єктами майже неможливо відчути.
Ньютон ніколи не вимірював G сам. Потрібно було більше ста років, щоб Генрі Кавендиш, британський вчений, провів перший лабораторний тест закону гравітації Ньютона: у 1798 році він зважив свинцеві сфери одна проти одної, щоб показати, що та сама сила, яка тягне разом планети, також діє між об'єктами на столі.
Від Передбаченої Планети до Невідомого Коливання
Закон Ньютона був досить точним, щоб зробити щось примітне: знайти планету, яку ніхто ще не бачив. У 1846 році Джон Кауч Адамс і Урбен Ле Вер'є, працюючи незалежно як астрономи, розраховували, де невидиме тіло мало тягти орбіту сусідної планети, і телескоп, спрямований на цей шматок неба, виявив Нептун майже за день.
Але той же закон виробив невелику, стійку розбіжність набагато ближче до дому. Коли гравітаційне потягування всіх інших планет віднімається від орбіти Меркурія, рівняння Ньютона все ще недостатньо спостережуване коливання на 43 дугові секунди за століття — занадто мале, щоб важливо для більшості цілей, але надто велике, щоб фізики могли просто пожати плечима.
Нова Картина Падіння Ейнштейна
Рішення врешті-решт прийшло від патентного клерка в Берні. У 1905 році Альберт Ейнштейн опублікував статтю, яка представила спеціальну теорію відносності, перевертаючи спосіб, яким фізики думали про простір і час.
Два роки по тому він мав те, що пізніше назвав найщасливішою реалізацією свого життя: хто-небудь у вільному падінні відчувається невагомим, ніби гравітація просто вимкнулася для них. Робота з цією ідеєю через математику зайняла ще вісім років, і Ейнштейн не опублікував свою завершену загальну теорію відносності до 1915 року.
Нова теорія майже відразу заслужила своє місце. Її прогнози відповідали дивному орбітальному коливанню Меркурія, і вони також пояснили, чому зоряне світло вигинається, коли проходить близько до сонця — закриваючи точний розрив, який рівняння Ньютона ніколи не могли врахувати.
Слухання Хвиль у Просторі-часу
Загальна теорія відносності також передбачала, що масивні, прискорювані об'єкти мають коливати просторо-час сам, випромінюючи гравітаційні хвилі. Перший доказ цього прийшов опосередковано: астрономи Халс і Тейлор стежили за двійковим пульсаром PSR1913+16, який вони знайшли у 1974 році, і спостерігали, як його орбіта скорочується рівно з тієї швидкості, яку випромінювання гравітаційних хвиль передбачило б. Відкриття принесло їм Нобелівської премії з фізики 1993 року.
Прямий доказ чекав іншого покоління. Співпраці LIGO та Virgo оголосили 11 лютого 2016 року, що вони виявили фактичну гравітаційну хвилю: сигнал під назвою GW150914, який прибув 14 вересня 2015 року об 09:50:45 GMT. Його видобули два чорні діри, важить 29 та 36 разів масу сонця, що спіралюють разом і об'єднуються приблизно на відстані 1,3 мільярда світлових років від Землі.
Гравітація залежить від того, де Ви стоїте
Навіть без залишення планети гравітація не є фіксованим числом. Потяг Землі змінюється приблизно на 0,7 відсотка по всій поверхні, від мінімуму 9,7639 м/с² на вершині Невадо Уаскаран у Перу, до максимуму 9,8337 м/с² на поверхні Північного Льодовитого океану.
Ці горби та впадини чітко видно на картах гравітації супутника, віднесені до місій CHAMP та GRACE разом з агенціями GFZ, NASA та DLR, які розкривають, чому деякі частини Землі тягнуть трохи сильніше, ніж інші. Карта розповсюджувалась широко після створення у 2005 році, а ще чутливіша версія послідувала у 2011 році у міру покращення приладів.