Grawitacja

Z Wikipedii

Grawitacja nazywana czasami ciążeniem powszechnym to jedno z czterech oddziaływań podstawowych wyróżnianych przez fizykę. Oddziaływanie grawitacyjne jest zależne od masy posiadanej przez poszczególne ciała i od odległości między nimi.

Oddziaływanie grawitacyjne jest dużo słabsze niż oddziaływanie elektromagnetyczne, czy słabe albo silne w skalach odległości z którymi mamy do czynienia na co dzień. Jednak ciążenie jako jedyne może wpływać na ciała bardzo od siebie oddalone. Grawitacja jest oddziaływaniem, które sprawia, że obiekty astronomiczne tworzą się z rozrzedzonych obłoków gazu wypełniających Wszechświat. Ciążenie powoduje zapadanie się tych struktur i powstawanie galaktyk, gwiazd i planet. W codziennym życiu ciążenie objawia się nam w postaci przyspieszenia ziemskiego. Jabłka oraz inne przedmioty spadają, bo działa na nie grawitacja. W skali astronomicznej ciążenie wyjaśnia, dlaczego planety krążą wokół Słońca, a Księżyc dookoła Ziemi. Grawitacja zawsze powoduje przyciąganie, a nigdy odpychanie. Grawitacja może utrzymać w równowadze tak burzliwe procesy jak reakcje termojądrowe w jądrze Słońca. W szczególnym przypadku ciążenie może spowodować zapadanie się gwiazd i powstawanie czarnych dziur.

Najnowsze pomiary kosmologiczne wskazują (Perlmutter i in. 1999, Astier i in. 2006), że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Dlatego stawiane są hipotezy o oddziaływaniu odpychającym, które mogłoby być silniejsze od przyciągania grawitacyjnego obiektów astronomicznych. Nie wiadomo jednak, jakie mogłyby być źródła takiego oddziaływania, ani jaki dokładnie miałoby charakter. Zjawisko zyskało miano ogólne ciemnej energii, a opisywane jest poprzez kwintesencję.

Spis treści

1 Wstęp
2 Mechanika klasyczna
3 Grawitacja na powierzchni Ziemi
4 Grawitacja w ogólnej teorii względności
- 4.1 Opis matematyczny
- 4.2 Opis fizyczny (wyjaśniający, co mówi opis matematyczny)
5 Grawitacja a mechanika kwantowa
6 Literatura
7 Zobacz też

[edytuj] Wstęp

Najważniejszą cechą grawitacji jest jej powszechność. Ciążenie działa tak samo na wszystkie ciała niezależnie od ich natury. Jednym czynnikiem wpływającym na grawitację jest masa/energia wpływających na siebie obiektów. Nie można w żaden sposób zakłócić, ani odizolować żadnego ciała od wpływu ciążenia.

Zakrzywienie przestrzeni wokół źródła grawitacji

We współczesnej fizyce grawitację opisuje Ogólna teoria względności. Oddziaływanie grawitacyjne jest skutkiem zakrzywienia czasoprzestrzeni przez rozmaite formy materii.

Obecność ciężkich obiektów zmienia przestrzeń w dwojaki sposób. W naszym otoczeniu najważniejszym skutkiem grawitacji, jest dylatacja czasu. Na powierzchni Ziemi zegary działają wolniej niż w przestrzeni kosmicznej. Wartość opóźnienia wydaje się niewielka, ale jej wpływ na ruch ciał jest bardzo duży. Dylatacja czasu powoduje powstawanie siły skierowanej do środka naszej planety.

W pobliżu tak potężnych źródeł grawitacji jak czarne dziury zakrzywienie czasoprzestrzeni jest największe. Oprócz dylatacji czasu widoczne staje się odejście od geometrii euklidesowej (przyjmowanej intuicyjnie przez człowieka). Większość najbardziej egzotycznych zjawisk opisywanych przez ogólną teorię względności staje się widoczna właśnie w takich warunkach.

[edytuj] Mechanika klasyczna

[edytuj] Poglądy starożytnych

Już u zarania cywilizacji ludzie zaobserwowali, że przedmioty puszczone spadają. Codziennie doświadczenie mówi nam, że obiekty cięższe znajdą się na ziemi w tym samym momencie co tej lżejsze. Jeżeli zrzucimy z pewnej wysokości kulkę oraz piórko, to pomijając opory powietrza, spadną niezaleznie od swojej masy, w tym samym momencie. Co więcej istnieją obiekty takie jak np. balony, które pozornie łamią prawo grawitacji unosząc się do góry. Podobne codzienne obserwacje przekonały greckiego filozofa Arystotelesa, że proces spadania jest zależny od natury przedmiotu. Pogląd ten zawarł w swoich dziełach dotyczących fizyki wydanych w latach 355-322 p.n.e. Starożytni w żaden sposób nie kojarzyli ze sobą opadania ciał na ziemi, z ruchami planet w "niebiosach". Zachowanie ciał astralnych opisywał model geocentryczny, który nie pozwalał na dostrzeżenie jakichkolwiek analogii pomiędzy przyciąganiem i torami ciał niebieskich. Istniało powszechne przekonanie, że ziemia i niebo rządzą się całkowicie odmiennymi prawami.

[edytuj] Renesans

W roku 1515 Kopernik zaproponował, opublikowany dopiero w roku 1543, heliocentryczny model Układu Słonecznego. Słońce znajdowało się w środku, a planety poruszały się po kołowych orbitach. W roku 1584 Giordano Bruno zaproponował zasadę, według której zarówno Ziemią jak i niebem rządzą te same powszechne prawa.

W roku 1604 Galileusz podważył wywodzące się ze starożytności idee dotyczące spadania ciał. Jego zdaniem pozorne różnice między ciążeniem działającym na różne obiekty są skutkiem zjawisk takich jak opór, albo wypieranie. W podręcznikach podaje się, że Galileusz wykonał szereg eksperymentów z kulami o różnych masach zrzucanymi z wieży lub staczającymi się po równi pochyłej. Wielu współczesnych historyków nauki sądzi, że ten wielki uczony dowiódł niezależności przyspieszenia ziemskiego od natury ciała w sposób czysto spekulatywny. Galileusz działał zgodnie z powszechnie uznawaną w jego czasach scholastyczną metodą analizy zjawisk.

Badacz ten wyobraził sobie dwie spadające cegły. Gdyby ich przyspieszenie zależało od masy, wówczas każda z cegieł oddzielnie spadałaby inaczej, niż gdyby połączyć je luźnym sznurkiem. Galileusz doszedł do wniosku, że założenie zależności przyspieszenia od masy ciała prowadzi do logicznej sprzeczności. Połączenie ciał sznurkiem nie zmienia ich fizycznych własności.

W latach 1609-18 niemiecki astronom Jan Kepler sformułował prawa dotyczące ruchu orbitalnego. Zgodnie z nimi planety kreślą w przestrzeni wielkie elipsy. Sformułował też prawo wiążące średni promień orbity z okresem obiegu:

Kwadrat stosunków czasów potrzebnych dwóm planetom na przejście całej swojej orbity jest równy sześcianowi stosunków ich średnich odległości od Słońca.

[edytuj] Prawo powszechnego ciążenia

Egzemplarz dzieła Newtona wydanego 5 czerwca 1687 r. pod tytułem Philosophiae Naturalis Principia Mathematica

Dnia 5 czerwca roku 1686 Izaak Newton wydał dzieło, w którym przedstawił spójną teorię grawitacji opisującą zarówno spadanie obiektów na ziemi, jak i ruch ciał niebieskich. Angielski fizyk oparł się na zaproponowanych przez siebie zasadach dynamiki oraz prawach Keplera dotyczących odległości planety od Słońca.

Dla uproszczenia załóżmy, że dwie planety poruszają się po kołowej orbicie. Prawo Keplera przyjmie dla nich postać:

$\left (\frac{R_1}{R_2}\right)^3=\left (\frac{T_1}{T_2}\right)^2 (1),$

gdzie: $R 1$ , $R 2$ – promienie orbit, $T 1$ , $T 2$ – okresy obiegu planet.

Zgodnie z rachunkiem wektorowym ciało poruszające się po okręgu jest poddane przyspieszeniu:

$a=\frac{v^2}{R} (2),$

gdzie: $a$ – przyspieszenie, $v$ – prędkość, $R$ – promień okręgu, co według drugiej zasady dynamiki oznacza, że musi działać na nie siła dośrodkowa:

$F_d=\frac{m_b v^2}{R} (3),$

gdzie $m b$ to masa bezwładnościowa ciała.

Przy ruchu planet ta siła dośrodkowa jest równa sile grawitacyjnej $F g$ . Prędkość orbitalna może być wyliczona jako:

$v=\frac{2\pi R}{T} (4)$

Jeżeli podstawimy zależność (4) do (3) to otrzymamy:

$F_g=\frac{m_b 4 \pi^2 R}{T^2} (5),$

Stosunek sił grawitacyjnych dla planet można rozpisać jako:

$\frac{F_{g1}}{F_{g2}}=\frac{m_{b1} R_1 T_2^2}{m_{b2} R_2 T_1^2} (5),$

Jeżeli teraz do równania (5) podstawimy (1) to pozbędziemy się okresów obiegu:

$\frac{F_{g1}}{F_{g2}}=\frac{m_{b1} R_2^2}{m_{b2} R_1^2} (5),$

Otrzymana zależność oznacza tyle, że stosunek sił grawitacyjnych jest proporcjonalny do odwrotności stosunku kwadratów odległości. Jeżeli planeta jest dwa razy dalej od Słońca, to siła grawitacji jest cztery razy mniejsza. Kiedy ciało ma dwa razy mniejszą masę, wtedy siła jest dwa razy mniejsza.

Newton uznał, że ta sama siła powoduje ruch planet po orbitach oraz spadanie jabłka z drzewa. W ten sposób ten wielki fizyk położył podwaliny pod mechanikę klasyczną. W tym ujęciu grawitacja jest siłą, z jaką oddziałują na siebie wszelkie ciała obdarzone masą. Prawo powszechnego ciążenia głosi, że:

Między dowolną parą ciał posiadających masy pojawia się siła przyciągająca, która działa na linii łączącej ich środki, a jej wartość rośnie z iloczynem ich mas i maleje z kwadratem odległości.

Matematycznie związek ten wyraża się wzorem:

$F^{i} =G \frac{ m_1 m_2}{r^2} e^i,$

gdzie: $G$ – stała grawitacji, $m 1$ , $m 2$ – masy ciał, $x$ – wektor łączący środki mas obu ciał, a $r$ jest długością tego wektora, $e^i=\frac{x^i}{r}$ jest wektorem jednostkowym ( $e e = 1$ ) łączącym środki mas obu ciał. Siła $F = F i e i$ jest wektorem a jej wartość (długość tego wektora $F = F e$ ) jest równa:

$F = G \frac{ m_1 m_2}{r^2}.$

Zmiany przyspieszenia grawitacyjnego w funkcji wysokości

Masy grawitacyjne $m 1$ i $m 2$ nie muszą być równe masom bezwładnościowym występującym w II zasadzie dynamiki Newtona. Zaobserwowana równość tych wartości oznacza, że ruch ciała w polu grawitacyjnym nie zależy od jego masy. Postulat ten jako pierwszy wysunął Galileusz. Równoznaczność mas bezwładnościowych i grawitacyjnych, zupełnie przypadkowa z punktu widzenia mechaniki klasycznej, jest podstawą ogólnej teorii względności.

Jednoznaczność masy bezwładnościowej i grawitacyjnej czekała na potwierdzenie eksperymentalne aż do roku 1798. Angielski fizyk Henry Cavendish jako pierwszy wykonał doświadczenia z wykorzystanie oscylujących mas, dzięki którym określił wartość stałej grawitacyjnej G z błędem 1%. W tym samym eksperymencie potwierdził też równoznaczność masy grawitacyjnej i bezwładnościowej.

Stała grawitacji została uznana za jedną z podstawowych stałych fizycznych. Z pomiarów wynika, że jej wartość wynosi:

$G \approx 6,6732(\pm 0,0031)10^{-11}\operatorname{m}^3 \operatorname{kg}^{-1}\operatorname{s}^{-2}.$

Pole grawitacyjne jest polem potencjalnym. praca wykonywana w tym polu nie zależy od drogi po jakiej przemieszczają się ciała, tylko od różnicy potencjałów w punkcie początkowym i końcowym. Możliwe jest zatem zdefiniowanie funkcji U, która opisuje potencjał pola grawitacyjnego. Spełnia ona następującą zależność:

$F^{i} =-\frac{\partial U}{\partial x^i},$

Korzystając z tego równania można obliczyć energię potencjalną pola grawitacyjnego.

[edytuj] Grawitacja na powierzchni Ziemi

Kiedy znajdujemy się na powierzchni naszej planety, odległość od środka ciężkości Ziemi jest dużo większa niż wysokość, na której możemy się przemieszczać (bez rakiet). W takiej sytuacji można założyć, że pole grawitacyjne jest jednorodne.

Korzystając z zależności na siłę grawitacyjną można obliczyć, że przedmiot o masie m na powierzchni naszej planety działa siła F_g:

$F_g=\frac{G M_z m}{r_z^2}$

gdzie M_z ≈ 5,9736×10²⁴ kg – masa Ziemi, r_z ≈ 6373,14 km , a zgodnie z drugą zasadą dynamiki:

$a=\frac{F_g}{m},$

Podstawiając zależność na siłę można obliczyć przyspieszenie ziemskie g:

$g=\frac{G M_z}{r_z^2} \approx \frac{6,6732\cdot10^{-11}\cdot m^3\cdot kg^{-1}\cdot s^{-2} \cdot 5,9736\cdot 10^{24}kg}{ ({6373,14}km)^2} \approx 9,81\frac{m}{s^2}.$

W praktyce wartość przyspieszenia ziemskiego zależy od wielu czynników. Umowna wartość g (dodaje się indeks "n" w celu zaznaczenia, że jest to przyspieszenie "normalne") to:

$g_n\approx{}9,80665\frac{m}{s^2},$

Spadający człowiek porusza się z przyspieszeniem ziemskim tylko przez kilka sekund. Potem opór powietrza staje się na tyle znaczący, że równoważy siłę grawitacji. Punkt równowagi odpowiada zwykle 200 km/h. Spadochron zwiększa siłę oporu powietrza i prędkość odpadania stabilizuje się na dużo mniejszej wartości.

Na Księżycu brak atmosfery powoduje, że wszystkie ciała spadają z takim samym przyspieszeniem. Podczas lotów programu Apollo astronauci przeprowadzili pokazy ze zrzucaniem różnych przedmiotów, które transmitowała telewizja. Brak atmosfery hamującej ruch pojazdu powoduje, że lądowanie na Srebrnym Globie wymaga dużych ilości paliwa rakietowego. Spadochrony w próżni nie są skuteczne.

[edytuj] Grawitacja w ogólnej teorii względności

[edytuj] Opis matematyczny

W Ogólnej Teorii Względności stworzonej przez Alberta Einsteina opis matematyczny grawitacji polega na określeniu związku pomiędzy tensorem metrycznym opisującym lokalne stosunki długości i interwałów czasowych w czasoprzestrzeni a energią zawartą w określonym obszarze czasoprzestrzeni. Punktem wyjścia dla teorii jest uogólnienie zasady względności Galileusza, o równoważności opisu zjawisk fizycznych w dowolnych układach inercjalnych, na dowolne także nieinercjalne układy odniesienia. Próba takiego zapisania praw mechaniki, aby ich postać matematyczna była identyczna w dowolnym układzie odniesienia, prowadzi do utożsamienia grawitacji i sił bezwładności, masy grawitacyjnej i bezwładnej i w końcu do równań pola grawitacyjnego łączących krzywiznę przestrzeni z tensorem energii-pędu oraz tensorem metrycznym. Można powiedzieć, że w ogólnej teorii względności grawitacja jest konsekwencją zakrzywienia czasoprzestrzeni.

Zakrzywienie to opisuje tensor metryczny $g μν$ definiujący w czasoprzestrzeni odległość między dwoma punktami o współrzędnych $x μ$ i $x μ + d x μ$

$ds^2=g_{\mu \nu}dx^{\mu}dx^{\nu}.\,$

Sferycznie symetryczna czasoprzestrzeń opisana jest przez element długości:

$ds^2=e^{\nu (r)} (dx^0)^2-e^{\lambda (r)}dr^2-r^2 d\theta^2-r^2 \sin (\theta)^2 d\phi^2.\,$

Funkcje $ν(r)$ i $λ(r)$ określa rozwiązanie równań Einsteina. Funkcja $ν(r)$ definiuje potencjał grawitacyjny U (r)

$e^{\nu (r)}=1+\frac{2 \varphi (r)}{c^2}$

gdzie: $U (r)=m_2 \varphi (r).$

Równania Einsteina są skomplikowane. Maja one otwarty charakter w tym sensie, że geometria przestrzeni zależy od gęstości energii w rozpatrywanych obszarach, zaś ilość materii i jej przestrzenny rozkład (a więc i gęstość energii) zależy od geometrii. Równania Einsteina nie pozwalają traktować żadnej z tych wielkości jako bardziej podstawowej, co sprawia, że uzyskiwanie rozwiązań tych równań nie jest trywialne i zwykle możliwe jest jedynie dla wyjątkowo symetrycznych konfiguracji jak rozwiązanie Schwarzschilda z symetrią kulista i bez materii.

Rozwiązanie Schwarzschilda dla układu w próżni (np. poza gwiazdą) prowadzi do:

$e^{\nu (r)}=1-\frac{r_g}{r}$

gdzie $r_g\$ jest promieniem grawitacyjnym definiującym rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury.

W ujęciu ogólnej teorii względności postuluje się, że źródłem grawitacji jest tensor energii-pędu. Nawet cząstki pozbawione masy spoczynkowej (foton) doznają wpływu wynikającego z zakrzywienia przestrzeni a więc oddziałują grawitacyjnie. Generalnie, źródłem grawitacji są wszelkie postacie energii dające wkład do wyżej wymienionego tensora energii pędu: masy, gęstość energii promieniowania i ciśnienia. W szczególności wkład ciśnienia jest identyczny z wkładem masy czyli wzrost ciśnienia powoduje wzrost sił przyciągających nie zaś jak podpowiada nam intuicja, spadek.

[edytuj] Opis fizyczny (wyjaśniający, co mówi opis matematyczny)

Ta sekcja wymaga dopracowania zgodnie z zaleceniami edycyjnymi.
Należy w niej poprawić: {{{2}}}.
Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdziesz na stronie dyskusji tego artykułu.
Po naprawieniu wszystkich błędów można usunąć tę wiadomość.

Rozumienie przyciągania ziemskiego, a tym samym ogólnie grawitacji, zmieniało się na przestrzeni wieków. Przed odkryciem Newtona postrzegano jedynie siły przyciągania ziemskiego, nie kojarzono, że na ruchy ciał niebieskich też wpływają siły, i to te same, które odpowiadają za odczucie ciężaru. Newton, odkrywając ogólne prawo grawitacji, a tym samym i oddziaływanie Ziemi i Słońca, zauważa wbrew wówczas panującemu poglądowi siły działające na odległość. Utrzymywał, że jego wzory to tylko matematyka umożliwiająca obliczenia, a prawdziwą fizykę oddziaływań trzeba dopiero odkryć. W XIX wieku zauważono, że opis oddziaływań na odległość można zastąpić oddziaływaniem poprzez pole, wyjaśniającym efekty występujące, gdy źródła oddziaływań zmieniają swe parametry. Pole sił grawitacyjnych nazwano polem grawitacyjnym.

Szczególna teoria względności (STW) oraz różne próby połączenia jej przewidywań z mechaniką newtonowską wprowadza pewne problemy związane z masą. Albert Einstein w swej teorii używa konsekwentnie masy tak, jak była rozumiana wcześniej, czyli wielkości niezmienniczej masa niezmiennicza nazywana obecnie po prostu "masą" (bez przymiotników), oznaczana obecnie przez m, w niektórych interpretacjach STW nazywana masą spoczynkową i oznaczana $m 0$ . To masa, która nie zmienia się gdy zmienia się prędkość ciała w układzie, a dla fotonów równa 0. Ma ona taką zaletę, że jest taka sama w każdym układzie odniesienia niezależnie od tego, z jaką prędkością dany układ odniesienia się porusza. Drugi rodzaj masy to masa relatywistyczna, nazywana dawniej po prostu "masą" a dzisiaj w miarę potrzeby masą inercyjną, grawitacyjną, albo "energią" bo jest równa energii zawartej w danym obiekcie podzielonej przez prędkość światła do kwadratu (wg popularnego wzoru Einsteina $E = M c 2$ gdzie $M$ to właśnie ta masa o której mowa). Fizycy oznaczają ją literą E (pamiętając o tym, że trzeba ją podzielić przez $c 2$ żeby ją wyrazić w kilogramach. To jest masa, która jest odpowiedzialna za bezwładność i grawitację. Ta masa dla fotonu jest równa jego częstotliwości pomnożonej przez stałą Plancka i podzielonej przez $c 2$ więc nigdy nie jest zerowa i w każdym układzie odniesienia może być inna. Zmiana masy relatywistycznej fotonu z układu do układu nazywa się przesunięciem dopplerowskim. W naszych rozważaniach na temat fizyki grawitacji będzie nas interesowała na ogół masa grawitacyjna (czyli relatywistyczna zwana też inercyjną) którą ma każdy foton (bo każdy ma energię).

Wracając do sił grawitacyjnych, nie musimy się martwić co się z nimi dzieje, kiedy obiekty poruszają się ruchem swobodnym (bo żadnych sił wtedy nie ma). Np. Ziemia porusza się po elipsie dookoła Słońca, bo nie działa na nią żadna siła i to jest jej "ruch swobodny". Podobnie z innymi obiektami. Poruszają się "prosto przed siebie". Tyle, że to "prosto" z naszego punktu widzenia zwykle nie jest proste, bo my widzimy tylko przestrzeń, a nie widzimy czasu. Ten ruch "prosto przed siebie" jest nie w przestrzeni ale w zakrzywionej (obecnością mas) czasoprzestrzeni. Jego rzut na naszą przestrzeń, to co widzimy, jest często nieco pogmatwany i widzimy na ogół hiperbole i elipsy a w szczególnych wypadkach koła i parabole (oczywiście jeżeli mamy tylko dwa obiekty, bo sprawa bardzo się komplikuje nawet przy trzech). To jest główna różnica między grawitacją Einsteina, prostą fizycznie, ale skomplikowaną matematycznie a grawitacją Newtona, prostą matematycznie, ale niemożliwą do wyjaśnienia fizycznie. W fizyce, której nawet sam Newton nigdy nie chciał uznać, bo nie wierzył w siły działające na odległość. I tych sił w rzeczywistości nie ma. Bo Ziemia nie jest "przyciągana" do Słońca żadną siłą. Porusza się ruchem swobodnym ale dla tych którzy wierzą, że ruchem swobodnym można się poruszać tylko po prostej, Ziemia jest "najwidoczniej przyciągana" przez Słońce. Jest to złudzenie wywołane różnicą modeli opisujących rzeczywistość.

Co do siły grawitacyjnej, pojawia się np. kiedy stoimy na Ziemi. Czujemy siłę grawitacyjną, bo pchamy Ziemię, a ona nas równą i przeciwnie skierowaną siłą proporcjonalną do naszej masy (inercyjnej). Skąd się ta siła bierze fizycznie? Otóż okazuje się (co teoretycznie możemy wydedukować z części matematycznej powyżej, ale można to zrobić łatwiej) że masy robią w swoim otoczeniu taką sztukę, że czas w ich pobliżu biegnie tym wolniej im są większe. To zjawisko nazywa się grawitacyjną dylatacją czasu. Skoro czas biegnie wolniej to tak samo prędkość światła może zwalniać w pobliżu tych mas. Więc kiedy jakiś obiekt w pobliżu jakiejś masy zewnętrznej (względem tego obiektu) przesunie się w kierunku tej malejącej prędkości światła $c 2$ to i energia tego obiektu się zmniejszy (bo $E = M c 2$ ). Wiec dany obiekt zachowuje się tak, jakby był popychany ze swojego wnętrza przez siłę proporcjonalną do zmiany energii obiektu wzdłuż tej drogi w kierunku zewnętrznej masy. I powstaje wrażenie przyciągania przez masę zewnętrzną, podczas gdy w rzeczywistości to sam obiekt jest popychany w kierunku zewnętrznej masy swoją wewnętrzną siłą, bo obiekt dąży do stanu o niższej energii. Możemy teraz obliczyć z ilości zmniejszania się energii obiektu pod wpływem zmiany prędkości światła w otoczeniu zewnętrznej masy wskutek dylatacji czasu i okaże się, że ta siła jest dokładnie taka, jaka wynika ze wzoru Newtona na siłę grawitacyjną. Bez żadnego "przyciągania" i tylko dzięki samej dylatacji czasu i przez to przez zmianę prędkości światła na mniejszą. Może powstać pytanie, czy w rzeczywistości to jakaś tajemnicza siła przyciągająca, czy to tylko dylatacja czasu? Tę sprawę można rozstrzygnąć, mierząc czas precyzyjnym zegarem i okazuje się, że to tylko dylatacja czasu powoduje popychanie obiektu w kierunku zewnętrznej masy (w kierunku mniejszej energii wewnętrznej obiektu) a żadnego dodatkowego przyciągania Newtonowskiego nie ma.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że to wszystko jedno, czy obiekt jest popychany, czy przyciągany w kierunku zewnętrznej masy i mechanizm fizyczny nie jest istotny. Okazuje się, że jest istotny, jeżeli wchodzi w grę zachowanie energii.

Skąd spadająca na Ziemię cegła bierze swoją rosnącą energię kinetyczną? Jeżeli nie znamy mechanizmu, to nie wiemy. "Skądciś" - mówią zwolennicy teorii Newtona. Z "jakiegoś" tajemniczego "pola grawitacyjnego" umieszczonego "gdzieś" dookoła nas. A Einstein powiedziałby, że z własnej energii wewnętrznej obiektu $m c 2$ . Bo spadająca cegła zamienia część swojej energii wewnętrznej $m c 2$ , którą traci wpadając w obszar mniejszej prędkości światła, na energię kinetyczną swojego ruchu i jej całkowita energia pozostaje stała bez żadnego dopływu energii z zewnątrz. I to wyeliminowanie "energii potencjalnej pola grawitacyjnego" z fizyki i umieszczenie "energii potencjalnej" w samym grawitującym obiekcie, jest oryginalnym osiągnięciem Einsteina, widocznym dopiero w opisie fizycznym tego, co stworzył.

[edytuj] Grawitacja a mechanika kwantowa

Niestety, współczesna fizyka nie jest w stanie połączyć (zunifikować) Ogólnej Teorii Względności z mechaniką kwantową. Oznacza to, że żadna ze współczesnych teorii nie opisuje poprawnie ruchu cząstki o niewielkiej masie poruszającej się z prędkością porównywalną z prędkością światła w silnym polu grawitacyjnym np. w pobliżu lub we wnętrzu czarnej dziury. Ogólna teoria względności załamuje się również w momencie Wielkiego Wybuchu jak i zaraz po nim. Brak jest prawidłowego opisu zjawisk zachodzących w bardzo małych objętościach porównywalnych z długością Plancka. Jakkolwiek zjawiska te z punktu widzenia przeciętnego człowieka wydają się być dosyć odległe od zjawisk jakie obserwujemy na co dzień, to jednak poprzez ich związek z kosmologią, wyniki uzyskane na tych polach mają bezpośredni wpływ na obraz zjawisk jak najbardziej powszechnych.

Nie oznacza to oczywiście, że nie podejmuje się ciągle prób opisania grawitacji w zgodzie z zasadami mechaniki kwantowej. Postęp w tej dziedzinie jest znaczący i obejmuje sformułowanie wielu teorii: od takich, które analizują kwantowanie w przestrzeniach zakrzywionych, poprzez teorie pola posługujące się algebrą grassmanowską aż do teorii superstrun, nie będącej teorią pola. Wszystkie te teorie dają jakiś wgląd w możliwą naturę kwantowej grawitacji. Jednak brak jest spójnej teorii pozwalającej w dodatku na przewidywanie wyników doświadczeń, która unifikowałaby Ogólną Teorię Względności i mechanikę kwantową.

[edytuj] Literatura

Schuster "Ogólna teoria Względności"

P. Astier i in. 2006, A&A, 447, 31, "The Supernova Legacy Survey: measurement of ΩM, ΩΛ and w from the first year data set" (en)
S. Perlmutter i in. 1998, ApJ, 517, 565, "Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae" (en)

[edytuj] Zobacz też

Kategorie: Artykuły wymagające dopracowania • Grawitacja

We provide Linux to the World