Γιατί υπάρχουν οι πλανήτες και τα αστέρια διατηρώντας τη μηχανική τους σταθερότητα σε τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα; Τόσο η Γη όσο και ο Ήλιος είναι 4,5 δισεκατομμυρίων ετών και η σύγχρονη επιστημονική έρευνα υποδηλώνει ότι οι μάζες και τα μεγέθη τους δεν έχουν αλλάξει πάρα πολύ από την εποχή εκείνη.. Γιατί είναι αυτά τα σώματα τόσο ισορροπημένα;
Πιο συγκεκριμένα, γιατί είναι η δύναμη βαρύτητας, που κατευθύνεται προς τα μέσα, τόσο τέλεια ισορροπημένη από την προς τα έξω κατευθυνόμενη δύναμη της πίεσης του υλικού; Σε αυτά τα σώματα, η πίεση προέρχεται από τις γρήγορες μικροσκοπικές κινήσεις των ατόμων και των μορίων. Αλλά ακόμη και η εξαιρετικά κινητική μας ατμόσφαιρα δεν καταρρέει ξαφνικά ούτε πετάει στο διάστημα ακόμα και με τον μικρότερο ρυθμό της φτερούγας μιας πεταλούδας.
Ούτε οι σεισμοί κάτω από την επιφάνεια και οι πτώσεις ενός μετεωρίτη προκαλούν κατακλυσμούς ολόκληρης της Γης, παρόλο που προκαλούν έντονες δονήσεις στο εσωτερικό της.
Το νεφέλωμα του δακτυλίου στον αστερισμό Λύρα πιθανότατα εκτοξεύτηκε από ένα ερυθρό υπεργιγάντιο αστέρι ως αποτέλεσμα της δυναμικής αστάθειας. Με αυτό το αντικείμενο πιθανότατα ο Ήλιος θα μοιάζει σε έξι δισεκατομμύρια χρόνια.Πριν από τέσσερις αιώνες, ο μεγάλος φυσικός Γαλιλαίος πραγματοποίησε πειράματα που έδειχναν ότι ένα αντικείμενο που πέφτει στη Γη επιταχύνεται προς τα κάτω με ρυθμό 10 μέτρα περίπου ανά δευτερόλεπτο. Αν οι τεράστιες πιέσεις στη Γη για κάποιο λόγο απομακρυνθούν ξαφνικά, τα επιφανειακά στρώματα θα κατέρρεαν στο κέντρο σε περίπου μια ώρα υπό την επίδραση της δύναμης της βαρύτητας. Ομοίως, εάν οι πιέσεις κάτω από την επιφάνεια ανεβαίνουν ανεξέλεγκτα, η Γη θα εκρηγνυόταν σε λίγο χρόνο.
Η καθημερινή εμπειρία μας λέει ότι όταν γίνεται βίαιη μετατόπιση σε ένα συμπιεστό αντικείμενο οποιουδήποτε είδους, το υλικό μεταβάλλει αμέσως την πίεση του σε απόκριση της αλλαγής της πυκνότητας. Εάν η πυκνότητα αυξάνεται, το κάνει και η πίεση. Η απότομη μετατόπιση της πίεσης σε σχέση με τη μεταβολή της πυκνότητας μετράται από μια αδιάστατη ποσότητα που οι φυσικοί έχουν δηλώσει με το ελληνικό γράμμα γ (γάμμα).
Ο Γερμανός μηχανικός August Ritter το 1879 απόδειξε ένα αξιοσημείωτο θεώρημα. Έδειξε ότι εάν η ποσότητα γ υπερβαίνει την τιμή 4/3 μέσα σε ένα μεγάλο αστρονομικό σώμα, η δομή του σώματος εμμένει σε δυναμική σταθερότητα. Η εξήγησή του είναι απλή. Εάν το γ είναι μεγάλο και η πυκνότητα του σώματος αυξάνεται λόγω της ταχείας συμπίεσης του υλικού, η πίεση αυξάνεται τόσο απότομα ώστε η δύναμη της βαρύτητας, αν και αυξάνεται, αντιστέκεται πλήρως. (Σκεφτείτε τον περίφημο νόμο της βαρύτητας του Ισαάκ Νεύτωνα που δηλώνει ότι η δύναμη της βαρύτητας μεταξύ δύο σωματιδίων της ύλης αυξάνεται καθώς το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους μειώνεται.) Αντίθετα, αν το γ είναι μεγάλο και το υλικό στο σώμα ξαφνικά διαστέλλεται, πέφτει τόσο απότομα που η βαρύτητα, αν και εξασθενημένη, είναι ικανή να φέρει το σώμα πίσω στην αρχική κατάσταση ισορροπίας.
Το σημαντικό θεώρημα του Ritter ισχύει για όλες τις φυσικές καταστάσεις στις οποίες οι μηχανικές μετατοπίσεις είναι τόσο γρήγορες ώστε δεν υπάρχει χρόνος για διαρροή μεγάλης ποσότητας θερμότητας από το σύστημα. Αυτές αποτελούν «αδιαβατικές» αλλαγές του συστήματος. Μέσα στη Γη, η τιμή του γ για τους σκληρούς βράχους είναι πολύ μεγάλη και έτσι η Γη παραμένει σταθερή. Ακόμη και η κινούμενη ατμόσφαιρα της Γης, και ομοίως ολόκληρος ο Ήλιος, που και τα δύο αποτελούνται από αέρια, έχουν γ ίσο με 5/3, κάνοντάς τα επίσης σταθερά σώματα.
Τι συμβαίνει με άλλα σώματα του Κόσμου, όπως τα πολύ λαμπερά υπεργιγάντια αστέρια, στα οποία το γ είναι κοντά στα 4/3 και οι απώλειες θερμότητας είναι εξαιρετικά γρήγορες και μεγάλες στα εξωτερικά τους στρώματα; Ένας επιστήμονας ο Richard Stothers, πρόσφατα έδειξε από νέους υπολογισμούς ότι όλες οι μη αδιαβατικές επιδράσεις στη δυναμική σταθερότητα προστίθενται ακριβώς σε μηδέν. Αν και οι μη αδιαβατικοί παράγοντες επηρεάζουν το εάν το σώμα δονείται γύρω από μια μέση κατάσταση ισορροπίας, δεν επηρεάζει την ίδια την κατάσταση της μέσης ισορροπίας.
Τι συμβαίνει με ένα αστέρι στο οποίο το γ πέφτει κάτω από τα 4/3; Εάν τα εξωτερικά μέρη είναι ασταθή, εκρήγνυνται. Από την άλλη πλευρά, ένας ασταθής πυρήνας καταρρέει. Ο ήλιος θα γίνει δυναμικά ασταθής; Πιθανώς ναι, αλλά μόνο στα εξωτερικά του στρώματα. Για να μην ανησυχείτε, όμως, ο Ήλιος δεν θα φτάσει σε αυτή την κατάσταση για άλλα έξι δισεκατομμύρια χρόνια.
Πηγή
0 σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου