prawo grawitacji
Prawo grawitacji, prawo powszechnego ciążenia — Prawo grawitacji – to wprowadzone przez Isaaca Newtona prawo powszechnego ciążenia, którego zadaniem jest opisanie, z jaką siłą ciała wzajemnie się przyciągają. Przyciąganie to nazywa się siłą ciężkości, lub po prostu siłą grawitacyjną.
Od Arystotelesa do Newtona
Zanim Isaac Newton wymyślił i opracował swoje teorie (zebrane w dziele Philosophiae naturalis principia mathematica), wielu ludzi przed nim obserwowało świat i wysnuwało z tych obserwacji własne wnioski, dzięki czemu powoli doprowadzało to rozwiązywania problematycznych zagadnień.
Między innymi, dzięki swoim obserwacjom statków na morzu wyłaniających się zza horyzontu czy zaćmienia Słońca, Arystoteles mógł stwierdzić, że Ziemia ma kształt kuli i z pewnością nie jest płaska. Ptolemeusz wysnuł teorię, że planety poruszają się po kołach (orbitach) wokół Ziemi, a dzięki Kopernikowi Ziemia przestała być centrum wszechświata, a zaczęła obracać się wokół Słońca.
Wreszcie obserwacje Newtona doprowadziły do sformułowania prawa powszechnej grawitacji zgodnie, z którym dowolne dwa ciała we wszechświecie przyciągają się z siłą, która jest tym większa, im większe są masy tych ciał i im mniejsza jest odległość między nimi. To ta właśnie siła powoduje spadanie przedmiotów na ziemię. Newton wykazał również, że zgodnie z prawem grawitacji Księżyc powinien poruszać się po elipsie wokół Ziemi, natomiast Ziemia i inne planety powinny okrążać Słońce również po orbitach eliptycznych. Newton zdawał sobie także sprawę z tego, że zgodnie z jego teorią grawitacji gwiazdy powinny nawzajem się przyciągać. Należało, więc sądzić, że nie mogą one pozostawać w spoczynku.
Grawitacja według Newtona
Isaac Newton dokonał, wcale nie tak oczywistego, ale dość znaczącego odkrycia w fizyce. Wskazał on, że ta sama siła, która utrzymuje Księżyc na orbicie, oddziałuje także na jabłko, które spada z drzewa na ziemię. To odkrycie pozwoliło mu stwierdzić, że nie tylko Ziemia przyciąga jabłko, ale wszystkie ciała we Wszechświecie przyciągają się wzajemnie. To zjawisko nazwał prawem ciążeniem (prawem grawitacji).
Grawitacja to geometria, która określa ruch ciał w przestrzeni i czasie. Mechanika Newtona zakłada konkretną geometrię przestrzeni i pojęcie czasu. Jeśli przyjrzymy się pierwszej zasadzie dynamiki, która określa ruch cząstek swobodnych, czyli takich, na które nie działają żadne inne siły, to okaże się, że poruszają się one za stałą prędkością po linii prostej. I tak na przykład, jeśli w próżni zrzucimy z tej samej wysokości kulę armatnią i piórko, to okaże się, że opadną one na ziemię z tym samym przyspieszeniem.
To dzięki grawitacji jesteśmy w stanie określić jednoznacznie trajektorię w przestrzeni i czasie. Aby wyjaśnić to w sposób przejrzysty za przykład posłuży ruch ciała w polu magnetycznym, który zależy od jego ładunku elektrycznego. Ciała naładowane dodatnio odchylają się w przeciwnym kierunku, niż ciała naładowane ujemnie, natomiast ciała obojętne elektrycznie poruszają się po linii prostej. Jedynie pole grawitacyjne sprawia, że ciała poruszają się po linii prostej, w określonej przez warunki początkowe przestrzeni i czasie.
Grawitacja według Einsteina
Zgodnie z prawem Newtona, siła grawitacji działa natychmiast i na odległość. Siły, jakie wywierają na siebie wzajemnie dwa ciała, zależą od położenia tych ciał w tej samej chwili w przestrzeni względem siebie. Zdaniem Einsteina, nie było to do końca prawidłowe stwierdzenie, ponieważ żaden sygnał nie może rozchodzić się szybciej niż wynosi prędkość światła. Rozwiązaniem problemu stała się geometria czterowymiarowa, określająca położenia w czasie i przestrzeni, czyli czasoprzestrzeni. Einstein, wysnuł hipotezę, że obecność Ziemi, zmienia geometrię czasoprzestrzeni w jej otoczeniu, powodując jej zagięcie. Konsekwencją tego stwierdzenia było wysnucie hipotezy, że na Ziemię nie działa siła grawitacji Słońca, która powoduje poruszanie się po ustalonej orbicie, ale to Słońce tworzy zagięcie czasoprzestrzeni, tworząc tor, po którym porusza się Ziemia oraz inne planety naszego układu.
Ogólna teoria względności (teoria czasoprzestrzeni i ruchu) stworzona przez Einsteina, odgrywa do dziś ogromną rolę w badaniu zjawisk astronomicznych, jak czarne dziury, końcowe stadia ewolucji gwiazd czy pulsary. Jest też obecna w życiu codziennym – bez poprawek wniesionych tą teorią do prawa grawitacji Newtona, nie mógłby działać powszechnie używany dziś system GPS.
Grawitacja w pobliżu powierzchni Ziemi
Zakłada się, że na powierzchni Ziemi przyspieszenie ma wszędzie mniej więcej taką samą wartość i wynosi ono 9,8 m/s2. Należy jednak wziąć pod uwagę, że jest to wartość przybliżona, która nie bierze pod uwagę czynników wpływających na zmianę tej wartości.
Czynnikami tymi są:
- gęstość Ziemi – Ziemia nie jest jednorodna. Każda jej warstwa począwszy od jądra, ku skorupie ma inną gęstość. Sprawia to, że w różnych miejscach Ziemi wartość przyspieszenia będzie nieco się różniła.
- kształt Ziemi – nie jest idealnie kulista.
- obrót Ziemi wokół własnej osi – każdy obiekt umieszczony na powierzchni porusza się po okręgu i działa na niego przyspieszenie dośrodkowe.
Grawitacja we wszechświecie
Droga Mleczna, czyli nasza galaktyka, składa się z pyłów, planet i miliardów gwiazd, w tym zawiera także nasze Słońce wraz z Układem Słonecznym. Siła grawitacji, która między innymi utrzymuje Księżyc na jego orbicie oddziałuje na wszystkie te obiekty i sprawia, że są one ze sobą związane. Ta sama siła jest także źródłem istnienia najbardziej niezwykłych obiektów, jakie istnieją w przyrodzie – czarnych dziur, czyli gwiazd, które kurczą się nieograniczenie pod wpływem tzw. zapadania grawitacyjnego. Siła grawitacyjna w pobliżu czarnej dziury jest tak olbrzymia, że nic nie może stamtąd uciec, nawet światło.
Czarne dziury
Czarna dziura to obszar w czasoprzestrzeni, z którego w wyniku działania pola grawitacyjnego niemożliwa jest ucieczka światła. Światło składa się zarówno z fal jak i cząstek (dualizm falowo-korpuskularny mechaniki kwantowej). Jeśli przyjmiemy falową teorię światła, nie jest jasne jak powinno ono reagować na grawitację. Początkowo uważano, że cząstki światła poruszają się nieskończenie szybko, a zatem grawitacja nie może ich wyhamować. Po wysnuciu stwierdzenia, że prędkość światła jest skończona, należało jednak przyjąć, że grawitacja może mieć istotny wpływ na ruch światła. W 1783 roku John Michell wykazał, że gwiazda o dostatecznie wielkiej masie i gęstości wytwarzałaby tak silne pole grawitacyjne, że światło nie mogłoby jej opuścić. Całe światło wypromieniowane z powierzchni gwiazdy zostałoby przyciągnięte z powrotem przez siłę ciążenia, zanim zdołałoby się oddalić.
