Gravitacija

Kljub temu, da je gravitacija najšibkejša interakcija med objekti v vesolju, je njen pomen v fiziki in astronomiji ogromen, saj lahko vpliva na fizične objekte na kateri koli razdalji v vesolju.

Če vas zanima astronomija, ste se verjetno spraševali, kaj je tak pojem, kot je gravitacija ali zakon univerzalne gravitacije. Gravitacija je univerzalna temeljna interakcija med vsemi predmeti v vesolju.

Odkritje zakona gravitacije pripisujejo slavnemu angleškemu fiziku Isaacu Newtonu. Verjetno mnogi od vas poznajo zgodbo o jabolku, ki je padlo na glavo slavnega znanstvenika. Če pa pogledate globlje v zgodovino, lahko vidite, da so o prisotnosti gravitacije že dolgo pred njegovo dobo razmišljali filozofi in znanstveniki antike, na primer Epikur. Vendar pa je Newton prvi opisal gravitacijsko interakcijo med fizičnimi telesi v okviru klasične mehanike. Njegovo teorijo je razvil še en slavni znanstvenik Albert Einstein, ki je v svoji splošni teoriji relativnosti natančneje opisal vpliv gravitacije v vesolju, pa tudi njeno vlogo v prostorsko-časovnem kontinuumu.

Newtonov zakon univerzalne gravitacije pravi, da je sila gravitacijske privlačnosti med dvema točkama mase, ki sta ločeni z razdaljo, obratno sorazmerna s kvadratom razdalje in premo sorazmerna z obema masama. Gravitacijska sila je dolgega dosega. Se pravi, ne glede na to, kako se telo z maso premika, bo v klasični mehaniki njegov gravitacijski potencial odvisen izključno od položaja tega predmeta v danem trenutku. Večja ko je masa predmeta, večje je njegovo gravitacijsko polje – močnejša je njegova gravitacijska sila. Vesoljski objekti, kot so galaksije, zvezde in planeti, imajo največjo gravitacijsko silo in s tem precej močna gravitacijska polja.

Gravitacijska polja

Zemljino gravitacijsko polje

Gravitacijsko polje je razdalja, znotraj katere poteka gravitacijska interakcija med predmeti v vesolju. Večja ko je masa predmeta, močnejše je njegovo gravitacijsko polje – bolj opazen je njegov vpliv na druga fizična telesa v določenem prostoru. Gravitacijsko polje predmeta je potencialno. Bistvo prejšnje trditve je, da če vnesete potencialno energijo privlačnosti med dvema telesoma, potem se ta ne bo spremenila po premikanju slednjega po zaprti zanki. Od tod izhaja še en slavni zakon o ohranitvi vsote potencialne in kinetične energije v zaprti zanki.

V materialnem svetu je gravitacijsko polje velikega pomena. Imajo jo vsi materialni predmeti v vesolju, ki imajo maso. Gravitacijsko polje lahko vpliva ne samo na snov, ampak tudi na energijo. Zaradi vpliva gravitacijskih polj tako velikih kozmičnih objektov, kot so črne luknje, kvazarji in supermasivne zvezde, nastajajo sončni sistemi, galaksije in druge astronomske kopice, za katere je značilna logična struktura.

Najnovejši znanstveni podatki kažejo, da znameniti učinek širjenja vesolja temelji tudi na zakonih gravitacijske interakcije. Zlasti širjenje vesolja olajšajo močna gravitacijska polja, tako majhnih kot največjih teles.

Gravitacijsko sevanje v binarnem sistemu

Gravitacijsko sevanje ali gravitacijski val je izraz, ki ga je v fiziko in kozmologijo prvi uvedel slavni znanstvenik Albert Einstein. Gravitacijsko sevanje v teoriji gravitacije nastane zaradi gibanja materialnih teles s spremenljivim pospeškom. Med pospeševanjem predmeta se zdi, da se od njega "odcepi" gravitacijski val, kar povzroči nihanje gravitacijskega polja v okoliškem prostoru. To se imenuje učinek gravitacijskih valov.

Čeprav gravitacijske valove predvideva Einsteinova splošna teorija relativnosti in tudi druge teorije gravitacije, nikoli niso bili neposredno zaznani. To je predvsem posledica njihove izjemne majhnosti. Vendar pa v astronomiji obstajajo posredni dokazi, ki lahko potrdijo ta učinek. Tako lahko učinek gravitacijskega valovanja opazimo na primeru konvergence dvojnih zvezd. Opazovanja potrjujejo, da je hitrost konvergence dvojnih zvezd do neke mere odvisna od izgube energije iz teh kozmičnih objektov, ki se domnevno porabi za gravitacijsko sevanje. Znanstveniki bodo to hipotezo lahko zanesljivo potrdili v bližnji prihodnosti z uporabo nove generacije naprednih teleskopov LIGO in VIRGO.

V sodobni fiziki obstajata dva koncepta mehanike: klasična in kvantna. Kvantna mehanika se je razvila relativno nedavno in se bistveno razlikuje od klasične mehanike. V kvantni mehaniki objekti (kvanti) nimajo določenih položajev in hitrosti, tukaj vse temelji na verjetnosti. To pomeni, da lahko predmet v določenem trenutku zasede določeno mesto v prostoru. Kam se bo preselil naslednjič, ni mogoče zanesljivo ugotoviti, a le z veliko mero verjetnosti.

Zanimiv učinek gravitacije je, da lahko upogiba prostor-časovni kontinuum. Einsteinova teorija trdi, da je v prostoru okoli kopice energije ali katerekoli materialne snovi prostor-čas ukrivljen. V skladu s tem se spremeni pot delcev, ki padejo pod vpliv gravitacijskega polja te snovi, kar omogoča napovedovanje poti njihovega gibanja z visoko stopnjo verjetnosti.

Teorije gravitacije

Danes znanstveniki poznajo več kot ducat različnih teorij o gravitaciji. Delimo jih na klasične in alternativne teorije. Najbolj znan predstavnik prve je klasična teorija gravitacije Isaaca Newtona, ki jo je izumil slavni britanski fizik davnega leta 1666. Njegovo bistvo je v tem, da masivno telo v mehaniki okoli sebe ustvarja gravitacijsko polje, ki k sebi privlači manjše predmete. Slednji pa imajo tudi gravitacijsko polje, kot vsi drugi materialni objekti v vesolju.

Naslednjo priljubljeno teorijo gravitacije je izumil svetovno znani nemški znanstvenik Albert Einstein v začetku 20. stoletja. Einsteinu je uspelo natančneje opisati gravitacijo kot pojav in tudi razložiti njeno delovanje ne le v klasični mehaniki, temveč tudi v kvantnem svetu. Njegova splošna teorija relativnosti opisuje zmožnost sile, kot je gravitacija, da vpliva na prostorsko-časovni kontinuum, pa tudi na trajektorije osnovnih delcev v vesolju.

Med alternativnimi teorijami gravitacije si morda največ pozornosti zasluži relativistična teorija, ki jo je izumil naš rojak, slavni fizik A.A. Logunov. Za razliko od Einsteina je Logunov trdil, da gravitacija ni geometrijsko, ampak resnično, dokaj močno fizično polje sil. Med alternativnimi teorijami gravitacije so znane še skalarna, bimetrična, kvazilinearna in druge.

1. Za ljudi, ki so bili v vesolju in se vrnili na Zemljo, se je sprva precej težko navaditi na moč gravitacijskega vpliva našega planeta. Včasih to traja več tednov.
2. Dokazano je, da lahko človeško telo v breztežnostnem stanju izgubi do 1 % mase kostnega mozga na mesec.
3. Med planeti osončja ima najmanjšo gravitacijsko silo Mars, največjo pa Jupiter.
4. Znane bakterije salmonele, ki povzročajo črevesne bolezni, se v breztežnostnem stanju obnašajo bolj aktivno in so sposobne povzročiti veliko večjo škodo človeškemu telesu.
5. Med vsemi znanimi astronomskimi objekti v vesolju imajo črne luknje največjo gravitacijsko silo. Črna luknja velikosti žogice za golf bi lahko imela enako gravitacijsko silo kot ves naš planet.
6. Sila gravitacije na Zemlji ni enaka na vseh koncih našega planeta. Na primer, v regiji Hudson Bay v Kanadi je nižja kot v drugih regijah sveta.