Gravitacija: definicija, Newtonovi zakoni, Einsteinova teorija in gravitoni

Gravitacija je ena od temeljnih sil vesolja. V tem članku jo obravnavamo v treh delih:

1. Vsakdanji pomen: sila, zaradi katere predmeti padejo na tla
2. Newtonovi zakoni: kako gravitacija drži Osončje in večino glavnih astronomskih teles skupaj
3. Einsteinova splošna teorija relativnosti: vloga gravitacije v vesolju

Nekateri fiziki menijo, da gravitacijo povzročajo gravitoni, vendar še vedno niso prepričani.

Kaj je gravitacija?

Gravitacija je naravni pojav, pri katerem se mase medsebojno privlačijo. V vsakdanjem govoru jo prepoznamo kot vzrok, da predmeti padajo na tla, a v znanosti ima širši pomen: opiše gibanje planetov, zvezd, galaksij in celo širjenje vesolja. Gravitacija je univerzalna (deluje med vsemi masami), ima praktično neskončen doseg in je vedno privlačna.

Newtonovi zakoni in klasična slika gravitacije

Isaac Newton je v 17. stoletju uvedel univerzalni zakon gravitacije, ki pravi, da sta med dvema telesoma z masama m1 in m2 ter razdaljo r sila privlačnosti:

F = G·m1·m2 / r² (kjer je G gravitacijska konstanta).

• G (gravitacijska konstanta) je majhna vrednost, ker je gravitacija pri mikroskopski skali zelo šibka v primerjavi z električno silo.
• Newtonov model pojasni gibanje planetov, satelitov in plimovanje ter predvidi eliptične orbite po Keplerjevih zakonih.
• Praktične posledice: hitrost pobega (escape velocity), vezana energija orbit, Rocheov limit (kadar plimo moči raztrgajo telo) in centri mas.

Prva neposredna meritev G je bila izvedena v eksperimentu Henryja Cavendisha konec 18. stoletja, kar je omogočilo kvantifikacijo gravitacijske sile med majhnimi telesi.

Einsteinova splošna teorija relativnosti

Newtonova teorija je zelo natančna za mnoge pojave, vendar pri veliki masi ali zelo natančnih meritvah vseeno odpove. Albert Einstein je začel z drugačno razlago: gravitacija ni klasična sila, ampak posledica ukrivljenosti prostora in časa (prostoročasa). Masivne in energijske gostoče snovi ukrivljajo prostoročasje, in druga telesa sledijo tej ukrivljenosti po tako imenovanih geodetikah.

• Princip ekvivalence: ni mogoče lokalno razlikovati med pospeškom in gravitacijskim poljem — to je temelj ideje, da gravitacija izhaja iz geometrije.
• Napovedi relativnosti, ki so jih potrdile meritve: napredovanje perihelija Merkurja, upogibanje svetlobe ob prehodu mimo Sonca, gravitacijski rdeči premik in gravitacijske valove.
• Gravitacijski valovi, sproščeni pri združitvah črnih lukenj ali nevtronskih zvezd, je leta 2015 neposredno zaznal observatorij LIGO, kar je še potrdilo Einsteinove napovedi.
• Teorija napoveduje tudi črne luknje (prostorske regije z dogodkovnim obzorjem) in gravitacijsko lečo, ki omogoča opazovanje oddaljenih objektov in meritve porazdelitve mase v galaksijah in galaktičnih grozdih.

Gravitacija v kozmologiji

V veliki skali gravitacija oblikuje strukturo vesolja: združuje snov v galaksije, galaktične grozde in mrežo velikih razsežnosti. Hkrati pa opazovanja kažejo, da za opis gibanja galaksij in širjenja vesolja potrebujemo dodatne elemente:

• Temna snov: hipoteza, ki pojasnjuje dodatno gravitacijsko privlačnost v galaksijah in grozdih.
• Temna energija: pojasni pospešeno širjenje vesolja, kar je prav tako povezano z gravitacijo, čeprav ni jasno, ali gre za novo obliko energije ali spremembo teorije gravitacije na velikih razdaljah.

Gravitoni in kvantna gravitacija

V kvantni teoriji sil imajo posredniki interakcije vsekakor kvantna polja (npr. fotoni za elektromagnetizem). Analogno hipotezo za gravitacijo predstavljajo gravitoni: hipotetični kvanti gravitacijskega polja, ki bi bili brez mase in z vsaj spinom 2 v večini teoretičnih modelov. Pomembno:

• Gravitoni še niso bili neposredno zaznani; njihova detekcija je izjemno zahtevna, ker je gravitacija zelo šibka.
• Kvantna teorija gravitacije ostaja odprto področje. Med kandidatnimi pristopi so teorija strun, zanke kvantne gravitacije (loop quantum gravity) in druge teorije, ki poskušajo združiti kvantno mehaniko z relativnostjo.
• Čeprav gravitoni niso potrjeni, njihova hipotetična vloga pomaga oblikovati kvantne izračune in razmišljanja o naravi prostora in časa na Planckovi skali.

Opazovalni dokazi in poskusi

• Cavendishov eksperiment: meritev gravitacijske konstante G in masa Zemlje.
• Premik perihelija Merkurja: ena izmed zgodnjih neusklajenosti s Newtonom, razložena z Einsteinovo teorijo.
• Eddingtonovo opazovanje leta 1919: potrdilo upogib svetlobe ob Soncu med sončevim mrkom.
• Pound–Rebka eksperiment: merjenje gravitacijskega rdečega premika svetlobe na Zemlji.
• GPS: delovanje sistema satelitov zahteva upoštevanje relativističnih popravkov zaradi gravitacije in hitrosti.
• LIGO/Virgo: neposredna detekcija gravitacijskih valov, ki odpira novo okno za opazovanje vesolja.

Praktični in vsakdanji pomen

Gravitacija vpliva na naše življenje vsakodnevno: določena je težnostna sila, ki jo občutimo, omogoča obstoj ozračja, vpliva na plimovanje morij (plimovanje povzroča predvsem gravitacijska privlačnost Lune in delno Sonca) in pogojuje pogoje za življenje na Zemlji. V inženirstvu je upoštevanje gravitacije ključno pri gradnji zgradb, mostov in satelitnih tirnic.

Kaj je še odprto in kaj pričakovati

Glavna odprta vprašanja vključujejo naravo temne snovi in temne energije, popolno kvantno teorijo gravitacije in morebitno združitev vseh sil v enotno teorijo. Nadaljnji napredek bo prišel iz kombinacije natančnih opazovanj (astronomija, detektorji gravitacijskih valov) in razvojnih matematičnih ter eksperimentalnih pristopov v teoriji delcev in kvantni gravitaciji.

Gravitacija je torej ne samo sila, ki jo občutimo vsak dan, temveč temeljni steber fizikalnega opisa vesolja — od gibanja jabolka do združitev galaksij in obnašanja časa blizu črnih lukenj.

Zgodovina gravitacijske teorije

Galileo

Po besedah enega od njegovih učencev je Galileo izvedel znameniti poskus o gravitaciji, pri katerem je s stolpa v Pisi spuščal kroglice. Kasneje je kroglice kotalil po strminah. S temi poskusi je Galileo dokazal, da gravitacija pospešuje vse predmete z enako hitrostjo ne glede na njihovo težo.

Kepler

Johannes Kepler je preučeval gibanje planetov. V letih 1609 in 1616 je objavil tri zakone, ki določajo obliko njihovih tirnic in njihovo hitrost po teh tirnicah, vendar ni odkril, zakaj se gibljejo na tak način.

Newton

Leta 1687 je angleški matematik Isaac Newton napisal knjigo Principia. V tej knjigi je opisal gravitacijski zakon obratnega kvadrata. Newton je v skladu z idejo, o kateri so že dolgo razpravljali drugi, trdil, da bolj ko sta si predmeta blizu, bolj bo nanju delovala gravitacija.

Newtonovi zakoni so bili kasneje uporabljeni za napoved obstoja planeta Neptun na podlagi sprememb v Uranovi tirnici in ponovno za napoved obstoja drugega planeta, ki je bliže Soncu kot Merkur. Pri tem se je izkazalo, da njegova teorija ni bila povsem pravilna. Te napake v njegovi teoriji je odpravila splošna teorija relativnosti Alberta Einsteina. Newtonova teorija se še vedno pogosto uporablja za številne stvari, saj je preprostejša in dovolj natančna za številne namene.

Dinamično ravnovesje

Zakaj Zemlja ne pade v Sonce? Odgovor je preprost, a zelo pomemben. Zato, ker je Zemlja, ki se giblje okoli Sonca, v dinamičnem ravnovesju. Hitrost gibanja Zemlje ustvarja centrifugalno silo, ki uravnoveša gravitacijsko silo med Soncem in Zemljo. Zakaj se Zemlja še naprej vrti? Ker ni sile, ki bi jo ustavila.

Newtonov prvi zakon: "Če je telo v mirovanju, ostane v mirovanju, če pa se giblje, se giblje z enako hitrostjo, dokler nanj ne deluje zunanja sila.

Med centrifugalno in gravitacijsko silo obstaja nekakšna analogija, ki je pripeljala do "načela ekvivalentnosti" splošne relativnosti.

Breztežnost

Pri prostem padu gibanje predmeta izravna gravitacijsko silo, ki deluje nanj. To velja tudi za gibanje v orbiti.

Newtonov zakon o univerzalni gravitaciji.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je gravitacija?

V: Kako gravitacija vpliva na vsakdanje življenje?

V: Kateri so Newtonovi zakoni v zvezi z gravitacijo?

V: Kaj je Einsteinova splošna teorija relativnosti?

V: Ali obstajajo dokazi o tem, kaj povzroča gravitacijo?

V: Kako gravitacija vpliva na prostor in čas?

Išči po črki