Podstata gravitace

Lidstvo si dlouho lámalo hlavu nad tím, co je podstatou gravitace. Čtenář zajisté na tomto místě poznamená, že jsme to ještě nevysvětlili a že by si vysvětlení po tolika stránkách textu o gravitaci zasloužil.

Newtonův gravitační zákon byl po tři sta let považován za správnou teorii gravitace. Platí pro kulově symetrická tělesa nebo tělesa, jejichž rozměry jsou zanedbatelné vzhledem k jejich vzdálenosti a která se vzájemně pohybují rychlostmi výrazně menšími, než je rychlost světla ve vakuu. Přesto nijak nevysvětluje, co se děje v prostoru mezi dvěma tělesy, když na sebe gravitačně působí. Navíc předpokládá, že působení je okamžité.

Hmotné těleso T na obrázku 17.38 je v poloze (1) a vytváří v bodě B gravitační pole o intenzitě \(\Vec{a}_{\mathrm{g}1}\). V okamžiku, kdy se začne toto těleso pohybovat směrem k poloze (2), mělo by se podle gravitačního zákona okamžitě začít zmenšovat gravitační pole v bodě B. To znamená, že by se „informace o tom, že se těleso T pohnulo“ musela prostorem šířit nekonečnou rychlostí. Ukazuje se ovšem, že takový předpoklad není ve skutečnosti splněn. Maximální rychlost šíření jakékoli informace je vždy konečná a má hodnotu rychlosti světla ve vakuu \(c=3\cdot10^8\ \mathrm{m/s}\).

S teorií gravitace, která je dnes považována za správnou, přišel v roce 1915 Albert Einstein. Říká se jí obecná teorie relativity. V době vzniku téměř nikdo nevěřil, že by mohla platit, protože pro ni neexistoval žádný experimentální důkaz, a navíc revolučním způsobem nahrazovala klasické Newtonovo chápání gravitace, prostoru a času.

Obecná teorie relativity předpokládá, že hmotná tělesa svou přítomností zakřivují okolní časoprostor. Představit si to můžete, jako kdybyste na rovnou stejnoměrně napnutou tkaninu hodili těžkou ocelovou kouli. Tkanina se deformuje, původně rovnoběžná vlákna již nejsou přesně rovnoběžná, nejkratší spojnice dvou uzlíků v látce už není úsečka, ale křivá čára. Informace o zakřivení se šíří konečnou rychlostí. Svou přítomností mění hmota také rychlost plynutí času – čas a prostor je provázán. V tomto zakřiveném časoprostoru se tělesa pohybují po nejpřímějších trajektoriích, takzvaných geodetikách. Přirovnat by se to dalo k pohybu zkušeného orientačního běžce terénem: mezi dvěma kontrolami volí nejrychlejší cestu, což v kopcovitém terénu zpravidla není úsečka.

Podle Einsteina tedy hmota zakřivuje časoprostor a ten určuje všem objektům, jak se v něm mají pohybovat. Čas a prostor jsou projevem hmoty, nelze je od sebe oddělit. Pokud byste se chtěli dozvědět více, můžeme doporučit např. https://www.aldebaran.cz/astrofyzika/gravitace/

Gravitační čočka

Jedním z prvních důkazů platnosti obecné teorie relativity bylo pozorování vlivu gravitace na šíření světla. Světlo se mezi dvěma místy šíří tak, aby danou vzdálenost urazilo co nejrychleji. V nezakřiveném prázdném prostoru se šíří po přímce. V zakřiveném prostoru kolem hodně hmotných těles je nejkratší spojnicí zakřivená čára, takže gravitace ohýbá směr šíření paprsků – chová se jako spojná čočka.

První pozorování efektu gravitační čočky provedl v roce 1919 Arthur Eddington při úplném zatmění Slunce. Při něm Měsíc zcela zakryje sluneční kotouč, obloha není přesvícena rozptýleným slunečním světlem a jsou na ní vidět hvězdy a sluneční koróna. Zcela v souladu s předpovědí obecné teorie relativity Eddington pozoroval ohyb paprsků vzdálených hvězd, které prošly silným gravitačním polem v okolí Slunce.

Jak ukazuje následující obrázek, paprsek jdoucí silným gravitačním polem Slunce byl zakřiven a dopadá do oka pozorovatele na Zemi. Jenže člověk vnímá a měří pouze směr, z jakého paprsky přicházejí – a není schopen svými smysly zjistit, co se s paprskem dělo během šíření. Proto má pocit, že paprsek vychází z jiného místa na obloze, než je skutečná poloha zdroje světla. V dalekohledu se tento efekt projeví mírným oddálením hvězd od zakrytého slunečního kotouče. Poloha hvězd, jejichž paprsky neprocházejí silným gravitačním polem v blízkosti Slunce, se nemění.

Gravitační vlny

Existence gravitačních vln byla předpovězena teoreticky již v roce 1916 Albertem Einsteinem. Poprvé byly tyto vlny experimentálně zaregistrovány teprve v roce 2015 na detektoru LIGO v americkém státě Washington. Gravitační vlny spočívají v pravidelně se opakujících změnách zakřivení časoprostoru, které se od zdroje šíří rychlostí světla \(c=3\cdot10^8\ \mathrm{m/s}\).

Pozorované gravitační vlny k nám dorazily ze vzdálenosti řádově 1 miliarda světelných let. Vznikly v průběhu splynutí dvou černých děr o hmotnostech přibližně třicetkrát větších, než je hmotnost Slunce. Tento jev je ve vesmíru poměrně vzácný, rozhodně nemůžeme očekávat, že něco podobného budeme pozorovat každý týden. Černé díry obíhaly kolem společného těžiště. Gravitací se přitahovaly a postupně se přibližovaly. Čím byly k sobě blíž, tím větší byla také jejich rychlost. Během obíhání vytvářely kolem sebe silné a stále prudčeji se měnící gravitační pole. Vlnění křivosti časoprostoru k nám putovalo miliardu let, takže o splynutí černých děr, kdy zdroj vlnění ustal, jsme se dozvěděli se zpožděním jedné miliardy let.

Podle současného stavu poznání existují ve vesmíru čtyři základní interakce: gravitační, elektromagnetická, silná a slabá. Přestože na úrovni jader atomů je gravitace v porovnání s ostatními interakcemi nejslabší, ve vesmírných rozměrech nad zbývajícími třemi drtivě převažuje. Silná a slabá interakce jsou totiž krátkodosahové – působí jen na vzdálenosti srovnatelné s velikostí jádra atomu. Elektrická síla se ve vesmírných měřítkách také neuplatňuje, neboť vesmírná tělesa jsou elektricky neutrální. Gravitace je doslova síla, která hýbe vesmírem.

Přestože nám v současnosti teoretické modely gravitace fungují v souladu s experimenty, dosud se lidstvu nepodařilo pochopit a experimentálně ověřit, jak gravitace souvisí s ostatními interakcemi. Možná se jednou dočkáme fenomenálního objevu a zcela nové fyziky.