Tłumaczenie: MATHeo
Pojawił się inny problem: planety
nie powinny poruszać się po elipsach,
ponieważ zgodnie z prawami Newtona,
są nie tylko przyciągane przez Słońce,
ale także przez siebie nawzajem -
troszeczkę, tylko troszeczkę.
Ale to troszeczkę jest czymś
i zmieni ruch troszeczkę.
Więc Jowisz, Saturn i Uran są wielkimi
planetami, które były znane,
wykonano obliczenia.
Kiedy skończono kalkulacje, okazało się, że Jowisz
i Saturn zachowują się zgodnie z obliczeniami,
ale Uran robi coś zabawnego - kolejna okazja,
żeby prawa Newtona okazały się niepełne.
Ale, odwagi: dwójka, która wykonała obliczenia,
Adams i Le Verrier, niezależnie i prawie w tym samym czasie,
zaproponowali, że ruch Urana był
spowodowany nieznaną, nową planetą.
Napisali listy do obserwatoriów, żeby
skierowali tam teleskopy, i że znajdą tam planetę.
Jaki absurd!
- powiedziało jedno z obserwatoriów -
żeby jakiś koleś z kawałkami papieru i ołówkiem,
mówił nam, gdzie mamy patrzeć, by znaleźć nową planetę.
Inne obserwatorium było bardziej -
no więc, administracje mieli inną -
i znaleźli Neptuna.
Bardziej ostatnio, na początku XX wieku, stało się jasne,
że ruch Merkurego nie był w pełni poprawny
i spowodowało to wiele kłopotów,
i nie miało wyjaśnienia,
do czasu modyfikacji praw Newtona, więc ostatecznie,
prawa Newtona musiałby zostać poprawione.
Nie będę wchodził specjalnie w szczegóły -
poprawki dokonał Einstein.
Zatem pytanie brzmi: Jak daleko to prawo sięga?
Czy sięga poza Układ Słoneczny?
Więc pokażę na pierwszym slajdzie, że prawo
grawitacji obejmuje nie tylko Układ Słoneczny.
Mamy serię trzech zdjęć,
tak zwanej gwiazdy podwójnej.
Tam jest trzecia gwiazda, na szczęście, na obrazku, więc
możecie zobaczyć, że naprawdę się obracają dookoła siebie,
i że nikt nie obrócił obrazków.
Dzięki obserwacji możemy narysować orbitę,
którą zobaczycie na kolejnym slajdzie.
Jest to dowód, że się nawzajem przyciągają
i zgodnie z oczekiwaniami poruszają się po elipsach.
Ciąg obrazków pokazuje różne okresy czasu, jak sądzę -
tak, porusza się dookoła w ten sposób. To jest
rok 1905, mój slajd jest bardzo stary.
Będziecie szczęśliwi, jeśli nie zauważycie, chyba że
już to zrobiliście, że centrum nie stanowi ogniskowa elipsy.
Więc, czy coś nie tak z prawem?
Nie. Bóg nie pokazał nam twarzy orbity.
Jest pochylona pod zabawnym kątem.
Jeśli weźmiecie elipsę i zaznaczycie jej ogniskową,
i będziecie trzymać kartkę pod dziwnym kątem,
i spojrzycie na rzut tego, ogniskowa wcale
nie będzie musiała być w ogniskowej orbity.
Dzieje się tak, ponieważ orbita jest pochylona w przestrzeni.
I wszystko okazuje się być jak należy.
Co z większą odległością?
Pomiędzy gwiazdami występują siły
i czy ich zasięg nie przekracza
 2-3 średnic Układu Słonecznego?
Tu, na następnym slajdzie, odleglłość jest 100 000
razy większa niż średnica Układy Słonecznego.
Jest tu ogromna liczba gwiazd.
Ten biały punkt, to nie jest solidny punkt, jest to
skutek niedoskonałości naszych instrumentów.
To są bardzo małe punkciki, odzielone od siebie, każdy
z nich przechodzi przez tę kulistą gromadę i wraca.
Jest to jedna z najpiękniejszych rzeczy na niebie -
tak piękna jak fale oceaniczne czy zachody Słońca.
Jest doskonale klarowne, że to co trzyma to
razem, to przyciąganie grawitacyjne tych gwiazd.
Rozkład gwiazd pozwala nam domyślić się,
 jakie prawo występuje między nimi.
I oczywiście, to jest prawo
odwrotnego kwadratu.
(Dokładność pomiarów nie jest
tak dobra jak dla Układu Słonecznego)
Czy grawitacja rozciąga się jeszcze dalej?
To jest jedynie maleńki punkcik w ogromnej galaktyce,
następny slajd pokaże typową galaktykę.
Jest klarowne, że te rzeczy trzymają się jakoś
razem i jedynym kandydatem jest tu grawitacja.
Kiedy dochodzi do tych rozmiarów, nie
mamy jak sprawdzić prawa odwrotnego kwadratu,
ale wydaje się jasne, że te wielkie skupiska
gwiazd, galaktyki - które sięgają
50 000 - 100 000 lat świetlnych wzdłuż,
(od Ziemi do Słońca jest tylko 8 minut świetlnych)
tu jest 100 000 lat świetlnych,
a grawitacja sięga nawet dalej.
Na następnym slajdzie jest tego dowód.
To jest gromada galaktyk.
Tu jest galaktyka, tu i tu i tu.
Tworzą zbitkę galaktyk,
analogicznie do gwiazd.
Ale tym razem nagromadziły się duże dzieci,
które pokazałem na poprzednim slajdzie.
To jest około 1/10 albo 1/100 rozmiaru wszechświata.
Zgodnie z widocznymi dowodami grawitacja rozciąga się.
Więc grawitacja Ziemi nie ma brzegu. Rozciąga
się dalej, będąc coraz słabszą i słabszą.
Odwrotnie do kwadratu odległości.
Dzielona przez 4 na każdą 2-krotną odległość.
Aż zacznie się mieszać z silnymi polami innych gwiazd.
Wszystko razem, gwiazdy przyciągają
inne gwiazdy by formować galaktyki.
Z kolei wszystkie galaktyki przyciagają
inne galaktyki tworząc wzór.
Więc ziemska grawitacja się nigdy nie kończy.
Prawo grawitacji różni się od innych praw. Oczywiście
jest bardzo ważne w mechanice wszechświata.
Ale w porównaniu do innych praw, grawitacja
ma bardzo niewielkie praktyczne zastosowanie.
(dla nas)
Mam na myśli, że wiedza wynikająca z prawa ma duże
 zastosowanie, trzyma ludzi na swoich miejscach, itd.
Ale ma niewiele praktycznych zastosowań
w porównaniu z innymi prawami.
To jest pierwszy przypadek,
w którym wywołuję nietypwy przykład.
To jest niemożliwe, by odwołując się do przykładu czegokolwiek,
uniknąć wywołania tego, który jest nietypowy
w pewnym sensie - jest to cud tego świata.
Jednym z pierwszych zastosowań
było przewidywanie pływów.
Współcześnie wykorzystujemy ją przy
pracy nad satelitami kosmicznymi, sondami,
żeby policzyć położenie planet, co ma
znaczenie dla astrologów umieszczających
horoskopy w gazetach.
To jest dzwine w naszym świecie, że cały postęp
wykorzystujemy by kontynuować nonsens,
który istnieje od 2000 lat.
Wiemy, że grawitacja rozciąga się na duże
odległości, i że Newton powiedział,
że wszystko przyciąga wszystko.
Czy ja ciebie przyciągam? Wybacz, miałem na
myśli, czy Ciebie przyciągam, a nie pociągam fizycznie.
To co mam na myśli, to czy naprawdę
2 rzeczy przyciagają się bezpośrednio?
Czy możemy zrobić bezpośredni test i nie
tylko czekać na planety, czy się przyciągają?
Eksperyment wykonał Cavendish,
co zobaczycie na kolejnym slajdzie.
Mam moje slajdy, tak?
Więc, pomyliłem się. Mówiłem o znaczeniu
grawitacji i zostałem przytłoczony przez
moją mądrą uwagę o astrologach,
i zapomniałem wspomnieć o ważnych miejscach,
gdzie grawitacja odnosi efekt w zachowaniu wszechświata.
Jednym z interesujących jest
formowanie się nowych gwiazd.
Na tym zdjęciu, gdzie jest gazowa
mgławica wewnątrz naszej galaktyki,
(to nie są gwiazdy tylko gaz)
są miejsca, gdzie gaz został
przyciągnięty do siebie.
To się zaczyna, być może przez jakiś rodzaj fali
uderzeniowej, ale przypomina o zjawisku grawitacji,
które przyciąga gaz bliżej i bliżej.
Więc duże ilości gazu gromadzą się
i formują kule,
które zapadając się, generują ciepło,
rozpalają się i tworzą gwiazdy.
Na następnym slajdzie mamy pewne
dowody na formowanie się gwiazd.
Niestety trudniej to zobaczyć niż
myślałem, jak widziałem to wcześniej.
Ale to nie jest to samo co to.
 
Były lepsze przykłady, ale
nie nadawły się na slajd.
To jest jeden przykład gwiazdy,
która urosła w tym miejscu w 200 dni.
Więc kiedy gaz zgromadzi się za blisko siebie
pod wpływem grawitacji, rodzą się gwiazdy.
Gwiazdy wyrzucają pył i gaz, kiedy
wybuchają i ten pył gromadzi się znowu,
by z powrotem tworzyć nowe gwiazdy.
Brzmi to jak nieustanny ruch.
Teraz wrócę do rzeczy, którą już wprowadziłem,
co było eksperymentem w małej skali,
żeby przekonać się, czy rzeczy
naprawdę się przyciągają.
Mam nadzieję, że następny slajd to pokazuje.
Już drugie podejście, YEAH!
Eksperyment Cavendisha.
Ideą było zawiesić na bardzo cieniutkim
kwarcowym włóknie pręt z dwoma kulami,
a następnie położyć dwie wielkie kule
o położeniu wskazanym tutaj,
zaraz obok.
Wówczas, na skutek przyciągania kul,
włókno się lekko skręci.
To musiało być zrobione bardzo delikatnie,
ponieważ siła przyciągania pomiędzy
 zwykłymi rzeczami jest bardzo mała.
I tak się stało.
Stało się możliwe zmierzenie siły
pomiędzy tymi dwoma kulami.
Cavendish nazwał ten
 eksperyment "ważeniem Ziemi".
Dzisiaj jesteśmy bardzo ostrożni
i nie pozwolilibyśmy myśleć studentom,
że mierzą masę Ziemi.
Ale powód, że użył takiej
nazwy jest następujący:
przez bezpośredni eksperyment potrafił
zmierzyć siłę, dwie masy i odległość,
które wskazują na grawitacyjną stałą.
Mówicie tak, ale  skoro znamy oddziaływanie,
masy i odległość - nadal nie znamy masy
Ziemi i stałej, ale tylko kombinację.
Więc mierząc stałą i wiedząc o przyciąganiu
ziemskim, masa Ziemi może by wyznaczona.
Więc, niebezpośrednio, ten eksperyment
był pierwszym wskazaniem jak ciężka, jak
masywna jest kula, na której stoimy.
Jest to rodzaj niezwykłego osiągniecia i myślę,
że dlatego Cavendish użył takiej nazwy,
zamiast WSKAZYWANIE STAŁEJ W GRAWITACYJNYM RÓWNANIU.
WAŻENIE ZIEMI.
Przypadkowo, w tym samym czasie, zważył
Słońce i wszystko inne, ponieważ przyciaganie
Słońca zachodzi w ten sam sposób.
Inny test na przyciąganie grawitacyjne jest
bardzo interesujący,
czy...
przyciąganie jest dokładnie
proporcjonalne do masy?
Jeśli rzeczywiście tak jest, to dwa obiekty
o różnych masach zmienią swoją prędkość
w ten sam sposób w polu grawitacyjnym.
Albo: dwie różne rzeczy, niezależnie od ich mas,
w próżni będą w ten sposób spadać w kierunku Ziemi.
Jest to stary eksperyment Galileusza z Krzywej Wieży.
Raz zabrałem mojego 2,5 letniego syna do Krzywej
Wieży w Pizie i teraz za każdym razem, kiedy jakiś
gość przychodzi, on mówi: "Krzywa Wieża!"
W każdym razie, dla przykładu, w satelitach
(tych zrobionych przez człowieka)
obiekt w środku będzie poruszał się dookoła
Ziemi po tym samym rodzaju orbity co satelita.
Fakt, że siła jest dokładnie proporcjonalna do masy,
i że reakcje są odwrotnie proporcjnalne do masy,
ma bardzo interesujące konsekwencje.
Pytanie, jak bardzo jest to dokładne?
Zostało to zmierzone przez człowieka
o nazwisku Eotvos w 1909r.
i bardziej ostatnio, i bardziej dokładnie
przez Dicke'a,
z dokładnością do 1/10 000 000 000.
Jak to jest możliwe zmierzyć z taką
dokładnością, chciałbym mieć czas to
 wyjaśnić, ale obawiam się, że nie mogę.
Dam jedną wskazówkę.
Załóżmy, że chciałbyś sprawdzić,
 czy jest to prawda dla przyciągania Słońca.
Wiesz, że Słońce przyciaga nas,
przyciąga Ziemię także.
Ale załóżmy, ze chciałeś wiedzieć,
czy jesli położysz kawałek ołowiu tutaj
i kawałek miedzi tutaj,
czy przyciąganie jest odwrotnie proporcjonalne do inercji.
Ziemia porusza się dookoła Słońca,
więc rzeczy sa odrzucane przez inercję.
Zatem te dwa obiekty mają inercję.
Ale są przyciągane przez Słońce i mają masę.
Jeśli są przyciągane do Słońca w innej proporcji,
niż są odrzucane przez inercję, jeden będzie
przyciągany w stronę Słońca a drugi na odwrót.
Więc wisząc na kwarcowym włóknie Cavendisha, zostanie skręcone w kierunku Słońca.
Nie skręca się z tą dokładnością, więc wiemy,
że przyciąganie Słońca działające na te dwa obiekty,
jest dokładnie proporcjonalne do odśrodkowego
efektu, którym jest inercja.
Więc siła przyciągania jest dokładnie proporcjonalna
do współczynnika inercji, czyli masy.
Powinienem coś powiedzieć na temat
relacji grawitacji do innych sił,
do innych zjawisk natury.
Jest jedna rzecz, która jest szczególnie interesująca,
prawo odwrotnego kwadratu pojawia się znowu.
Pojawia się w prawach elektryczności,
dla przykładu: elektryczność wywiera
siłę odwrotnie proporcjonalną do kwadratu 
odległości, ale tym razem ładunków.
Być może odwrotny kwadrat odległości ma
jakieś głębokie znaczenie.
Może grawitacja i elektryczność są
innymi przejawami tej samej rzeczy.
Nikomu się to jeszcze nie udało. Dzisiaj
teorie fizyki są mnóstwem różnych części,
które do siebie specjalnie nie pasują.
Nie potrafimy zrozumieć jednego
używając terminów drugiego.
Nie mamy struktury, z której wszystko
pochodzi. Mamy kilka kawałków, które
jak na razie nie pasują do siebie.
Dlatego w tych wykładach będę wam
mówił o rzeczach, które są wspólne
dla różnych praw.
Ponieważ nie wiemy, nie rozumiemy połączeń
między nimi, ale co jest dziwne jest tam
parę rzeczy wspólnych.
Ale teraz spójrzmy znowu na elektryczność.
Rzecz, która jest nadzwyczajna to ogromna
różnica w sile elektryczności i grawitacji.
Ludzie, którzy chcą otrzymać grawitację
i elektryczność z tej samej rzeczy, zauważą,
że elektryczność jest dużo bardziej
potężna niż grawitacja.
Aż trudno uwierzyć, że obie rzeczy
mają ten sam początek.
Jak mogę powiedzieć, że jedna rzecz
jest bardziej potężna od drugiej?
To zależy jak dużo macie ładunku
i jak dużo macie masy.
Nie możesz mówić o grawitacji jak silna jest,
mówiąc: "biorę kawałek o takim a takim
rozmiarze", ponieważ wybrałeś rozmiar.
Jeśli weźmiemy coś, co jest czystym produktem
natury, coś, co nie wiąże się z calami czy latami,
nie ma nic do czynienia z naszym własnym wymiarem,
możemy zrobić to w ten sposób: jeśli weźmiemy
fundamentalne cząstki takie jak elektron,
każda inna cząstka da inną liczbę,
więc lepiej wziąć elektrony.
Dwa elektrony, fundamentalne cząstki, są obiektami.
Nie muszę wam mówić jakich
jednostek używam.
To są dwie cząstki, które się odpychają
odwrotnie do kwadratu odległości,
z powodu elektrycznośći,
i przyciągają się odwrotnie do kwadratu
odległości, z powodu grawitacji.
Pytanie: jaki jest stosunek grawitacyjnej
siły do siły elektrycznej?
Pokazuje to kolejny slajd.
Stosunek ten jest dany przez liczbę 42-cyfrową.
Wszystko to zostało napisane bardzo ostrożnie.
Leży tu bardzo głęboka tajemnica:
skąd taka ogromna liczba się bierze?
Jak to możliwe, że są takie dysproporcje?
Z jakiego równania pochodzi rozwiązanie,
które dla dwóch sił daje tak fantastyczny stosunek?
Ludzie szukali dużej liczby.
Mieli nadzieję, że tam jest inna duża liczba.
I jeśli chcesz dużą liczbę, dlaczego nie podzielić
średnicy wszechświata przez średnicę protonu.
Niesamowite jest to, że również
otrzymamy liczbę z 42 cyframi.
 
Ale wszechświat się rozszerza w czasie,
a to oznacza, że grawitacyjna stała
zmienia się w czasie.
Chociaż jest to możliwe, nie ma
dowodów na to i jest kilka trudności:
częściowe oznaki, że grawitacyjna
stała nie zmienia się w ten sposób.
Więc ta ogromna liczba pozostaje tajemnicą.
Żeby zakończyć o teorii grawitacji,
muszę powiedzieć jeszcze dwie rzeczy.
Jedna to, że Einstein zmodyfikował teorię
grawitacji zgodnie z zasadmi względności,
Jedna z zasad mówi, że x nie może pojawić
się natychmiast, podczas gdy teoria
Newtona głosi, że siła jest natychmiastowa.
Więc Einstein musiał poprawić teorię Newtona.
Zmiany odnosiły bardzo mały skutek.
Jednym z nich jest, wszystkie masy spadają.
Światło ma energię, energia jest równoważna
masie, więc światło powinno opadać.
To powinno oznaczać, że światło w pobliżu
Słońca jest odchylane i tak jest.
Również siła grawitacji jest delikatnie
poprawiona w jego teorii. Więc prawo się
 trochę zmieniło, bardzo bardzo niewiele
i to jest właściwa ilość dla niewielkich
niezgodności w ruchu Merkurego.
Ostatecznie, w połączeniu z prawami fizyki
w małej skali, dowiedzieliśmy się,
że zachowanie się materii w małej skali
przestrzega praw tak różnych od dużej skali.
Więc pytanie brzmi: Jak grawitacja
wygląda w małej skali?
Co jest nazywane kwantową teorią grawitacji?
Nie ma takiej teorii dzisiaj.
Nie udało się utworzyć teorii spójnej
z zasadą nieoznaczoności
i zasadami mechaniki kwantowej.
Omówię te zasady na innym wykładzie.
Ostatecznie powiecie mi: "Powiedziałeś nam,
co się dzieje, ale czym właściwie jest  grawitacja?
Skąd ona pochodzi? Mówisz nam,
że planeta patrzy na Słońce, widzi
jak daleko jest, bierze odwrotny kwadrat
odległości i potem decyduje się poruszać
zgodnie z tym prawem?"
Innymi słowy, chociaż określiłem matematyczne
prawo, nie dałem żadnej wskazówki
co do mechanizmu.
Będę o tym mówił w następnym wykładzie,
które będzie o relacji matematyki do fizyki.
Ale ostatecznie w tym wykładzie,
chciałbym podkreślić co wspólnego
ma grawitacja z innymi prawami.
O czym wspominaliśmy wcześniej.
Po pierwsze, wyrażenia są matematyczne.
Po drugie, nie jest dokładne.
Einstein musiał dokonać poprawki.
Wiemy, że nie jest jeszcze dość dokładna,
ponieważ muszą włożyć tam teorię kwantową.
To samo jest z innymi prawmi, nie są tak dokładne.
Zawsze jest krawędź tajemnicy. Zawsze jest
miejsce, gdzie musimy z pewnymi rzeczami się uporać.
To oczywiście nie jest własność natury -
może a może nie - ale na pewno jest to
cecha wspólna wszystkich praw, które znamy dzisiaj.
To może być tylko brak wiedzy.
Ale najbardziej imponującym faktem
jest to, że grawitacja jest prosta.
Jest proste całkowicie określić zasadę
i nie pozostawić niejasności.
Jest prosta, dlatego jest piękna.
Jest prosta w swoim wzorze.
Nie mówię, że jest prosta w działaniu.
Ruch różnych planet, perturbacje,
 jak gwiazdy poruszają się w gromadach,
jest poza naszymi zdolnościami.
Jest to skomplikowane w działaniu,
ale nie w podstawowym wzorze.
Jest to wspólne dla wszystkich praw.
Okazują się być prostymi rzeczami,
aczkolwiek złożonymi w działaniu.
Ostatecznie przychodzi uniwersalność
prawa grawitacji.
Fakt, że obejmuje tak ogromne odległości.
Że Newton, w swoim umyśle, rozmyślając
nad Układem Słonecznym, był w stanie przewidzieć,
co się stanie w eksperymencie Cavendisha.
Gdzie Cavendisha mały model Układu
Słonecznego, dwie kule przyciągające się,
powiększył się na 10 mln mln razy,
żeby zostać Układem Słonecznym i potem
10 mln mln razy powiększył się znowu
i odnajdujemy galaktyki przyciągające się
przez dokładnie to samo prawo.
Natura używa tylko najdłuższych nici
by tkać swoje wzory,
dlatego każdy kawałek tkaniny ujawnia
organizację całej tkaniny.
Dziękuję.
