- Jakie są podstawowe zasady działania grawitacji? Odrobina historii
- Jak grawitacja wpływa na ruch ciał niebieskich?
- Jakie eksperymenty potwierdzają teorię grawitacji?
Jeśli przestaniesz trzymać ołówek w ręce i go po prostu upuścisz, to spadnie on na podłogę, biurko, ziemię. Jeśli spojrzysz na dym nad ogniskiem – będzie on unosił się w kierunku nieba. Tym, dlaczego tak się dzieje, interesowali się już starożytni w czasach przed naszą erą. Doszli nawet do pewnych wniosków, niestety – błędnych. Czym dokładnie jest grawitacja w fizyce, co o niej wiemy, kto stoi za najważniejszymi teoriami i jakie eksperymenty z tym związane można przeprowadzić? Sprawdźmy to!
Jakie są podstawowe zasady działania grawitacji? Odrobina historii
Każdy, kto chce zająć się zrozumieniem tematyki związanej z grawitacją, musi sięgnąć do opracowanego przez Isaaca Newtona prawa powszechnego ciążenia:
„Między dowolną parą ciał posiadających masy pojawia się siła przyciągająca, która działa na linii łączącej ich środki, a jej wartość jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami ciężkości”
Jest to rok 1687, czyli moment opracowania dzieła „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”. Czy to oznacza, że wcześniej, przed kultowym „jabłkiem spadającym na głowę Newtona” naukowcy i filozofowie nie zajmowali się zrozumieniem grawitacji?
Podwaliny pod zrozumienie zasad grawitacji dali jeszcze przed naszą erą Arystoteles, a później Archimedes. Pierwszy z nich opracował koncepcję grawitacji jako „naturalnego ruchu”, a drugi zgłębiał wiedzę na temat sił równowagi i wyporności. Jednym z pierwszych, który bardzo wyraźnie podważył teorie Arystotelesa był Mikołaj z Kuzy (XV wiek), spekulujący na temat równorzędności ciał w kosmosie. Kolejny przełom nadciągnął chwilę później z… Polski, ponieważ to Mikołaj Kopernik zaproponował model heliocentryczny. Kosmiczne badania kontynuował w XVI wieku Galileusz, badający przyspieszenie obiektów — wielu mówi, że to on pierwszy zrozumiał, na czym polega grawitacja. Kolejny w kalendarium jest Kepler, sugerujący istnienie centralnej siły działającej na planety. Dopiero po nim pojawił się cytowany wyżej Newton.
W XVIII wieku ważne były trzy nazwiska: Pierre-Simon Laplace, Henry Cavendish, Carl Friedrich Gauss. Pierwszy zajmował się analizą grawitacyjną układów planetarnych, drugi zmierzył stałą grawitacyjną, a trzeci rozwinął teorię potencjału grawitacyjnego.
Czytaj więcej: Korepetycje z fizyki - dla kogo?
Przełom i faktyczne określenie fundamentów dzisiejszego rozumienia grawitacji nadeszły wraz z ogólną teorią względności Alberta Einsteina (1915). Dzięki niej wiemy, że grawitacja jest to zakrzywienie czasoprzestrzeni spowodowane obecnością masy i energii. To spojrzenie różni się od wcześniejszych koncepcji Newtona, które traktowały grawitację jako siłę działającą na odległość między masami.
Ciekawostka:
Zaginione notatki Leonardo Da Vinci datowane na lata 1480–1518 mogą wskazywać, że to on – na długo przed Galileuszem – zrozumiał działanie grawitacji, pisząc notatkę zatytułowaną „Equatione di Moti”, czyli „Równanie ruchu”.
Jak grawitacja wpływa na ruch ciał niebieskich?
Na czym polega chaos? Ciężko to jednoznacznie określić, ale można powiedzieć, że „w chaosie nic nie działa tak, jak powinno”. Dokładnie tak byłoby z ciałami niebieskimi, gdyby nie było grawitacji.
To grawitacja wpływa na ruch gwiazd, planet, księżyców. Grawitacja jest zatem siłą oddziałującą na poszczególne ciała niebieskie, gwarantującą „porządek” w kosmosie. Dodatkowo Einstein zawarł w swojej teorii względności informacje, że jest to nie tylko siła, ale też zakrzywienie czasoprzestrzeni generowane przez masywne obiekty. To z kolei sprawia, że ciała poruszają się po zakrzywionych trajektoriach.
Czytaj więcej: Czym jest światło w fizyce?
Jak można to wszystko zrozumieć? Cóż, na sprawdzian w szkole wystarczy poznać kilka praw i wzorów, a dogłębne nauczenie się wszystkich zasad związanych z działaniem grawitacji wymaga poświęcenia nieco więcej czasu, niż przeczytanie jednego artykułu na ten temat. Warto poznać lepiej biografie wszystkich wymienionych wcześniej naukowców, sięgnąć do ich badań. Taką wiedzę można pozyskać również podczas zajęć indywidualnych z nauczycielem. Fizyków udzielających takich korepetycji można spotkać na platformie internetowej BUKI School. Warto zamówić od razu cały pakiet lekcji, aby mieć odpowiednio dużo czasu na opanowanie całego materiału dotyczącego grawitacji i tematów pobocznych.
Jakie eksperymenty potwierdzają teorię grawitacji?
Pewną wiedzę da się też czerpać z eksperymentów. Można je podzielić na te, które potwierdzają klasyczną, Newtonowską teorię, jak i nieco bardziej rozbudowaną, zaproponowaną przez Einsteina. Trzeba ich szukać wśród szczegółowych opisów badań Galileusza, Newtona, Cavendisha, Eddingtona. Bardzo ciekawym przypadkiem jest Merkury wraz ze swoją nieznacznie odchyloną orbitą, który z kolei naprowadza nas zakrzywienie czasoprzestrzeni przez Słońce – zgodnie z wiedzą podawaną przez Alberta Einsteina.
Sporo badań prowadzonych było również od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku, między innymi były to eksperymenty z udziałem zegarów atomowych potwierdzające wolniejszy upływ czasu w silniejszych polach grawitacyjnych. Wielkim praktycznym testem ogólnej teorii względności jest też popularny system GPS, który musi uwzględniać między innymi dylatację czasu do prawidłowego podawania współrzędnych. Ciekawym eksperymentem było również obserwowanie fal grawitacyjnych po zderzeniu dwóch czarnych dziur w 2015 roku. To pokazuje, że pomimo naszej zaawansowanej wiedzy, jest jeszcze sporo do zbadania!