Gravitācija: definīcija, Ņūtona likumi un Einšteina relativitāte

Gravitācija: saprotami par ikdienas krišanu, Ņūtona likumiem, Einšteina relativitāti un gravitoniem — dziļa, viegli lasāma skaidrojoša rokasgrāmata.

Gravitācija jeb gravitācija ir viens no Visuma pamatspēkiem. Šajā rakstā mēs to aplūkosim trīs daļās:

1. Ikdienas jēga: spēks, kas izraisa priekšmetu krišanu uz zemes.
2. Ņūtona likumi: kā gravitācija notur kopā Saules sistēmu un lielāko daļu lielāko astronomisko objektu.
3. Einšteina vispārējā relativitātes teorija: gravitācijas loma Visumā

Daži fiziķi uzskata, ka gravitāciju rada gravitoni, taču joprojām nav pārliecināti.

Ikdienas pieredze un būtiskas īpašības

Ikdienā gravitācija izpaužas kā spēks, kas pievelk priekšmetus pie Zemes, nosakot to svaru un to, kā mēs staigājam, lecām vai krītam. Gravitācija ir vienmēr pievilcīga (nav «atlīdzinošas» un «atgrūdošas» puses), un tās iedarbība palielinās ar objektu masu un samazinās ar attālumu. Būtiskas īpašības:

• Virsmas blīvums un svara sajūta: masa rada zemes gravitācijas spēku, ko jūtam kā svaru; bez kustības pretestības (punktsbrīva krišana) visas masas krīt vienādi — šo dēvē par ekvivalences principu.
• Attāluma atkarība: Newtona teorijā gravitācijas spēks starp divām masām samazinās ar attāluma kvadrātu.
• Dominē lielos mērogos: salīdzinot ar citām pamatspējām (piem., elektromagnētismu), gravitācija ir ļoti vāja mikroskopiskā mērogā, taču tā ir galvenais spēks, kas strukturē planētas, zvaigznes, galaktikas un Visuma mēroga struktūras.

Ņūtona gravitācijas likums — vienkāršs, bet spēcīgs apraksts

Isaacs Ņūtons formulēja universālo gravitācijas likumu: divas masas m1 un m2 pievelkas ar spēku, kas proporcionāls abu masu reizinājumam un apgriezti proporcionāls attāluma r kvadrātam. Matemātiski to var izteikt kā F = G m1 m2 / r^2, kur G ir gravitācijas konstante (apm. 6.674×10−11 N·m2/kg2).

No šī likuma izriet Keplera planētu kustības likumi — planētu orbītas ir elipses ar Saulei līdzīgu fokuspunktu, un orbītu periods saistīts ar lielo pusasu. Newtona pieeja ļāva skaidrot un aprēķināt orbītas, paisumu un bēgumu (tide phenomena), satelītu kustību un daudzus citus procesus.

Piemēri un sekas:

• Orbītas: centrālais gravitācijas spēks nosaka zvaigžņu un planētu orbītas — gan stabilas orbītas, gan gravitācijas manevrus kosmosa lidojumu plānošanā.
• Paisumi: Zemes un Mēness gravitatīvā mijiedarbība rada paisumu un bēgumu jūrās; tie rodas no piespiedu spēka gradienta (atšķirīgas pievilkšanās intensitātes pie dažādiem Zemes punktiem).
• Mērījumi: gravitācijas konstanti pirmo reizi noteica Cavendish eksperimentā ar torzijas sviru, un šādi mērījumi joprojām tiek precizēti ar moderno aparātu palīdzību.

Einšteina vispārējā relativitāte — gravitācija kā telpas un laika liekums

Albertam Einšteinam vispārējā relativitāte pārdefinēja gravitāciju nevis kā spēku starp objektiem, bet kā masu un enerģijas radītu telpas-laika izkropļojumu. Objekti pārvietojas pa ģeodēzēm (īsākajām vai taisnākajām līnijām) izliektā telpas-laika laukā.

Galvenie punkti un prognozes:

• Ekvivalences princips: lokāli nav iespējams atšķirt bezsvara stāvokli no brīvās krišanas gravitācijas laukā — šis princips ir vispārējās relativitātes pamatā.
• Gaismas lūzums: stārloku ceļš izliekas blakus masīviem objektiem; pirmo reizi šo efektu apstiprināja 1919. gadā, novērojot zvaigžņu pozīcijas Saules aptumsuma laikā.
• Perihelija precesija: Merkura perihe­lija novirzes no Newtona prognozēm tika precīzi izskaidrotas ar GR.
• Laika dilatācija un gravitācijas sarkanais nobīde: pulksteņi pie masīviem objektiem rit nedaudz lēnāk; tas ir būtiski GPS satelītu sistēmās, kur jāņem vērā relativistiski koriģējumi, lai panāktu precīzu pozicionēšanu.
• Melnās caurums un Singulāritātes: GR paredz zemu izmēru reģionus ar ārkārtēju laika-telpas izkropļojumu, caur kuriem var iekļūt notikumu horizonti — melnās caurums. Melnā cauruma «ēnas» attēlus ir reģistrējis Event Horizon Telescope.
• Gravitācijas viļņi: viļņi telpas-laikā, ko rada mainīgās masu sadales (piemēram, saplūstot melnajiem caurumiem). Pirmo tiešo detekciju veica LIGO (2015), kas apliecināja vēl vienu GR prognozi.

Mūsdienu pētījumi, atklājumi un neatbildētie jautājumi

Mūsdienu gravitācijas izpēte aptver gan precīzus novērojumus, gan teorētiskus centienus apvienot gravitāciju ar kvantu mehāniku.

• Gravitoni: kvantu teorijā gravitācijas kvanta partikuls tiek saukts par gravitonu (hipotētisks, ar spin 2). Lai gan daži fiziķi uzskata, ka gravitāciju rada gravitoni, tie nav tieši novēroti, un kvantu gravitācijas teorija vēl nav pilnībā izstrādāta.
• Gravitācijas un tumšā matērija: astronomiskie novērojumi rāda, ka galaktiku kustība un lielo struktūru veidošanās nevar tikt izskaidrota tikai ar redzamo matēriju; tiek postulēta tumšā matērija, kas mijiedarbojas galvenokārt gravitācijas ceļā.
• Tumšā enerģija un Visuma paplašināšanās: novērojumi liecina, ka Visums pašlaik paplašinās paātrinātā tempā; šis fenomens ir saistīts ar nezināmu enerģijas formu — tumšo enerģiju — kas ietekmē gravitācijas iedarbību kosmiskā mērogā.
• Kvantgravimetijas meklējumi: teorētiskās pieejas, kā piemēram, stīgu teorija un cilpu kvantgravitācija, cenšas apvienot gravitāciju ar citiem pamatspēkiem, bet eksperimentāla pārbaude ir sarežģīta.

Praktiska nozīme un piemēri

• Kosmosa misijas: precīza orbītu aprēķināšana (gan Newtona, gan relativistiska korekcija) ir izšķiroša kosmosa kuģu navigācijā.
• GPS un laika sinhronizācija: satelītpulksteņu darbā jāņem vērā gan speciālā, gan vispārējā relativitāte, lai nodrošinātu pozicionēšanas precizitāti.
• Astrofizikā: gravitācijas lēcas palīdz atklāt tālus objektus un izpētīt tumšās matērijas sadalījumu; gravitācijas vilnis ļauj pētīt notikumu, kas nav redzami elektromagnētiskajā spektrā.

Kopsavilkums

Gravitācija ir fundamentāla mijiedarbība, kas nosaka gan ikdienas fenomenu — kā mēs stāvam uz Zemes un kā krīt objekti —, gan Visuma lielo struktūru attīstību. Newtona likums sniedz praktisku un precīzu aprakstu daudzos gadījumos, bet Einšteina vispārējā relativitāte dod dziļāku izpratni par gravitāciju kā telpas-laika ģeometrijas izpausmi. Mūsdienās gravitācija ir aktīvu pētījumu objekts: tiek meklēti kvantu gravitācijas mehānismi, izpētīta tumšā matērija un tumšā enerģija, kā arī veiktas jaunākās novērojumu metodes (gravitācijas viļņi, melno caurumu attēli), lai paplašinātu mūsu izpratni.

Gravitācijas teorijas vēsture

Galileo

Kā stāsta viens no viņa studentiem, Galileo veica slavenu eksperimentu par gravitāciju, kad viņš no Pizas torņa nometa bumbiņas. Vēlāk viņš ripināja bumbiņas lejup pa slīpumu. Ar šiem eksperimentiem Galilejs pierādīja, ka gravitācija paātrina visus objektus ar vienādu ātrumu neatkarīgi no to svara.

Kepler

Johannes Keplers pētīja planētu kustību. Viņš 1609. un 1616. gadā publicēja savus trīs likumus, kas nosaka planētu orbītu formu un to kustības ātrumu pa šīm orbītām, bet neatklāja, kāpēc tās pārvietojas tieši šādi.

Ņūtons

1687. gadā angļu matemātiķis Īzaks Ņūtons uzrakstīja Principia. Šajā grāmatā viņš rakstīja par apgriezto kvadrātu gravitācijas likumu. Ņūtons, vadoties pēc idejas, par kuru jau sen bija diskutējuši citi, apgalvoja, ka, jo tuvāk viens otram atrodas divi objekti, jo vairāk tos ietekmē gravitācija.

Vēlāk Ņūtona likumi tika izmantoti, lai, pamatojoties uz Urāna orbītas izmaiņām, prognozētu planētas Neptūna pastāvēšanu, kā arī lai prognozētu citas planētas pastāvēšanu, kas atrodas tuvāk Saulei nekā Merkurs. Kad tas tika izdarīts, atklājās, ka viņa teorija nav pilnīgi pareiza. Šīs kļūdas viņa teorijā izlaboja Alberta Einšteina vispārējā relativitātes teorija. Ņūtona teoriju joprojām plaši izmanto daudzām lietām, jo tā ir vienkāršāka un pietiekami precīza daudzām vajadzībām.

Dinamiskais līdzsvars

Kāpēc Zeme neiekrīt Saulē? Atbilde ir vienkārša, bet ļoti svarīga. Tā ir tāpēc, ka Zeme, kas riņķo ap Sauli, atrodas dinamiskā līdzsvarā. Zemes kustības ātrums rada centrbēdzes spēku, kas līdzsvaro gravitācijas spēku starp Sauli un Zemi. Kāpēc Zeme turpina griezties? Tāpēc, ka nav spēka, kas to apturētu.

Ņūtona pirmais likums: "Ja ķermenis ir miera stāvoklī, tas paliek miera stāvoklī, bet, ja tas ir kustībā, tas kustas ar tādu pašu ātrumu, kamēr uz to iedarbojas ārējs spēks.".

Starp centrbēdzes spēku un gravitācijas spēku pastāv sava veida analoģija, kas noveda pie vispārīgās relativitātes "ekvivalences principa".

Bezsvara stāvoklis

Brīvajā kritienā objekta kustība līdzsvaro gravitācijas spēku, kas uz to iedarbojas. Tas attiecas arī uz atrašanos orbītā.

Ņūtona universālās gravitācijas likums.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir gravitācija?

J: Kā gravitācija ietekmē ikdienas dzīvi?

J: Kādi ir Ņūtona likumi attiecībā uz gravitāciju?

J: Kas ir Einšteina vispārējā relativitātes teorija?

J: Vai ir kādi pierādījumi par to, kas izraisa gravitāciju?

J: Kā gravitācija ietekmē telpu un laiku?

Meklēt pēc burta