Niektórzy bardzo się interesują tym, czym jakiś obiekt fizyczny, lub zjawisko - jest. Uzupełniają to pytanie innym : jaka jest natura tego zjawiska lub obiektu? Co jest jego istotą?
Są to pytania filozoficzne i dotyczą istniejącego bytu, odkrywanego w miarę rozwoju nauk szczegółowych.
Fizyka nie unika tych pytań, chociaż na wiele z nich nie potrafi odpowiedzieć, a gdy odpowiada, to musi skorzystać z języka charakterystycznego dla tej właśnie nauki.
I w tym miejscu pojawiają się oskarżenia pod jej adresem, że takie odpowiedzi [ językiem specjalistycznym, technicznym o własnościach zjawisk i rzeczy] niczego nie wyjaśniają, lub gorzej- zaciemniają myślenie o przedmiocie pytań.
Autorami tych oskarżeń są osoby, które odmawiają wysiłku i trudu zrozumienia i przyswojenia sobie aparatu pojęciowego nauki szczegółowej, jaką jest fizyka. I ich należy pozostawić w spokoju- na “aucie”.
Toteż pytanie “czym jest grawitacja” kieruję do tych moich czytelników, którzy już przed przeczytaniem obecnego artykułu wiedzieli, że:
Grawitacja jest powszechnie występująca siłą przyciągania między dwiema dowolnymi masami, a jej wartość określa prawo I.Newtona tzw. “ odwrotnych kwadratów odległości”:
Kto rozumie prawo Newtona, ten musi odpowiedzieć na pytanie ”co to jest siła grawitacji, tak :
Siła, która podlega prawu Newtona zapisanemu powyżej.
Istota siły grawitacji jest zawarta w tym prawie. Nie znamy drugiej, innej siły, która by podlegała temu prawu. Prawo Newtona przedstawia naturę siły grawitacji.Dwie dowolne masy przyciągają się, czyli wszystko co ma masę, objawia wzajemne przyciąganie się.
Prawo jest bardzo stare, liczy sobie ponad 300 lat, ale biegli w historii myśli europejskiej sądzą, iż było znane już dwa tysiące lat temu [ miał już je wypowiedzieć Anaksymander ], w średniowieczu mówiono też o prawie "“odwrotnych kwadratów", jednak dopiero Issac Newton ujął go w formułę matematyczną i zastosował do budowy racjonalnej dynamiki Układu Słonecznego.
Do czasu wystąpienia Alberta Einsteina, taka była odpowiedź na pytanie tytułowe. Cała mechanika lotów satelitarnych ziemskich oraz planetarnych[ wyprawy na Księżyc, Marsa i dalej do krańców Układu S], to praktyczny triumf myśli newtonowakiej o grawitacji.
Ogólna Teoria Względności [ General Relativity – GR] ma równoważną nazwę [niezbyt popularną w Polsce] ,po prostu : Teoria Grawitacji [ Theory of Gravitation - TOG } Alberta Einsteina .
To znaczy, że Ogólna Teoria Względności daje odpowiedź na pytania : czym jest grawitacja? Jaka jest natura grawitacji? Co jest istotą grawitacji ? Przed tymi pytaniami Issac Newton się cofnął ,podając lapidarne usprawiedliwienie : “hypotheses non fingo”.
Zapytajmy więc : co Einstein mówi o grawitacji nowego w stosunku do Newtona?
1.Grawitacja jest zjawiskiem nieliniowym
Najpierw zadajmy pytanie :co to znaczy, że jakieś zjawisko jest nieliniowe? Możemy, ale nie musimy wkraczać na teren matematyki.Nie pytam bowiem o nieliniowość jakiegoś równania ,tylko nieliniowość występującą w pewnych zjawiskach fizycznych.
Nieliniowość zjawiska fizycznego polega na tym, że jeśli w danym miejscu czasoprzestrzeni już wcześniej zachodzi zjawisko Z(1) ,a my teraz, w tym samym miejscu, wywołujemy dodatkowo to samo[co do natury] zjawisko Z(2), to wypadkowy skutek, nie jest prostą sumą skutków, gdyby te same zjawiska zachodziły odrębnie, bez “nakrywania się”.
Obecność Z(1) zmienia w nieprzewidywalny sposób zjawisko Z(2) i odwrotnie.Jeżeli w punkcie A działają jednocześnie grawitacje pochodzące od dwóch różnych mas, to każda z nich zmienia tej drugiej, jej parametry.Grawitacja (1) zmienia się, gdy w tym samym obszarze czasoprzestrzeni jest druga grawitacja (2) i na odwrót. Oprócz oddziaływania mas, opisanego prawem Newtona, dochodzi jeszcze grawitacja energii potencjalnej układu [szczegółowo o tym niżej, w punkcie 2A ].
Nieliniowość zjawiska grawitacji jest trudno mierzalna w eksperymentach ziemskich, natomiast dla silnych i bardzo silnych oddziaływaniach grawitacyjnych[ osobliwości czasoprzestrzeni w rodzaju czarnych dziur] może prowadzić nawet do kreacji “nowego” we wszechświecie.
Szkoda, że taki istotny objaw grawitacji [to jest –nieliniowość jej natury ] umyka uwadze dydaktyki fizyki na poziomie średnim.
Jest to niezwykły fenomen przyrody martwej, tej fizycznej, którą bada fizyka. Powtórzę: z nieliniowości fenomenu grawitacji wynika, iż grawitacja może kreować nowe światy, nowe byty nieprzewidywalne dla racjonalnej myśli.
A przecież nie każdy rodzaj poznanego przez nas oddziaływania ma taką własność, taką naturę.Na przykład ,zjawisko oddziaływania elektrycznego [pole elektryczne] jest liniowe: oddziaływanie elektryczne podlega superpozycji ,nie “czuje” innych oddziaływań elektrycznych założonych wcześniej, w tym samym obszarze czasoprzestrzeni, jego parametry nie zmieniają się. Dla tego oddziaływania jest obojętne, czy spotyka w jakimś elemencie objętościowym czasoprzestrzeni drugie pole elektryczne, czy nie.
2.Nie tylko masa jest źródłem grawitacji
Oczywiście, prawo grawitacji Newtona jednoznacznie mówi nam, że źródłem grawitacji są masy ciał.Każda dowolna masa – według Issaca Newtona- jest źródłem oddziaływania grawitacyjnego. Ale jest to prawda tylko częściowa, cząstkowa.
Ogólna Teoria Względności formułuje następujące hipotezy odnośnie źródeł powstawania oddziaływania grawitacyjnego.
A. Każdy rodzaj energii wytwarza oddziaływanie grawitacyjne.
Dokładniej pisząc :pewna wielkość będąca kombinacją energii i pędu[ tzw. czterowektor energii-pędu] jest źródłem oddziaływania grawitacyjnego.Hipoteza ta znalazła potwierdzenie w empirycznie zmierzonym efekcie ugięcia promienia świetlnego w pobliżu Słońca[ i ogólnie- w pobliżu wielkiej masy astronomicznej].
Efekt ten nie może być wyjaśniony poprawnie w ramach newtonowskiej teorii grawitacji, gdyż foton nie posiada masy, a i sam wynik rachunków nie zgadza się z pomiarem.
Soczewkowanie grawitacyjne
Z punktu widzenia Szczególnej Teorii Względności [ SR ] nie ma w tym nic zaskakującego.
Według słynnej formuły:
E = m*c^2
masa ciał jest równoważna energii, energia równoważna masie.
Tam gdzie jest energia – tam pojawi się oddziaływanie grawitacyjne. Grawitacja jest więc energią, a nie siłą. Tymczasem na co dzień, potocznie mówi się ; siły grawitacyjne.
W ramach GR nie ma sił grawitacyjnych !
B.Źródłem oddziaływania grawitacyjnego jest także ciśnienie.
Jest to szokujące twierdzenie Ogólnej Teorii względności. Sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem.
Jednak, jeśli napiszemy definicję ciśnienia :
p = F/s gdzie F-siła, s-pole powierzchni, na której rozkłada się siła.
I ułamek w prawej stronie równania podzielimy i pomnożymy przez ten sam element długości l, to dostajemy
p = F*l/s*l
No ale
F*l = praca czyli energia ,oraz s*l = objętość
i w końcu dostajemy
p= E/V ,co jest gęstością przestrzenną energii.
Ostatecznie : ciśnienie wytwarza grawitację, albowiem ciśnienie jest gęstością energii [ a energia ...itd.].Jednak sytuacja jest znacznie poważniejsza.
Ciśnienie dodatnie wytwarza dodatkowo [oprócz wkładu pochodzącego od gęstości energii] grawitację przyciągającą.
Identyczne, pod względem masy, dwa układy fizyczne z identycznymi sprężynami , znajdują się w takiej samej odległości od środka planety M - nie mają tych samych ciężarów!
Ściśnięta sprężyna, na skutek naprężenia wewnętrznego ,wywiera ciśnienie na ścianki zbiornika i ten właśnie układ podlega większej grawitacji.
Pojawia się grawitacja ciśnienia!
Ciśnienie jest na zewnątrz układu ,czyli dodatnie i jego grawitacja jest przyciągająca.
Natomiast ciśnienie ujemne [ do wnętrza układu fizycznego] wytwarza grawitację ujemną , czyli nie przyciągającą ciał, lecz odpychającą !
Tym samym muszę napisać kategorycznie: ciśnienie nie tylko wytwarza grawitację pośrednio, przez gęstość energii, ale także samo z siebie jest źródłem dwojakiego rodzaju grawitacji: przyciągającej wzajemnie masy i także odpychającej te same masy.
Nie sądzę, by niewątpliwy geniusz Newtona, mógł odkryć taki fakt ,że ciśnienie [między innymi] jest źródłem grawitacji. Teoria grawitacji Alberta Einsteina istotnie otworzyła nowe horyzonty dla myślenia o strukturze i harmonii wszechświata.
3 . Grawitacja rodzi grawitacjęI
Istnieje głęboka różnica między oddziaływaniem elektro-magnetycznym, a oddziaływaniem grawitacyjnym.
Oddziaływanie elektromagnetyczne nie wytwarza , nie rodzi pola elektrycznego, lub pola magnetycznego.Fale elektromagnetyczne z dwóch różnych źródeł przy spotkaniu, przenikają przez siebie bez żadnych wtórnychefektów. Jedna porusza się tak ,jakby tej drugiej nie było.
Grawitacja ma przeciwną naturę.
Pole grawitacyjne może wytworzyć nowe pole grawitacyjne. Fale grawitacyjne podlegają rozpraszaniu ,jedna na drugiej. Fale te nie są grawitacyjnie neutralne, ponieważ niosą energię, a tym samym masę toteż mogą być źródłem oddziaływania grawitacyjnego. Grawitacja jest fenomenem samo-sprzężonym.
4. Grawitacja jako oddziaływanie między ciałem, a czasoprzestrzenią.
Newtonowska teoria grawitacji określała grawitację , jako siłę przyciągania miedzy dwoma-co najmniej- ciałami obdarzonymi masami różnymi od zera.Einstein te teorię wzbogacił nie tylko przez odkrycie innych [ oprócz mas] źródeł grawitacji .
Równie niezwykłą i bardzo płodną, jest jego hipoteza działania masy ciał na strukturę czasoprzestrzeni.
Dla Newtona taka hipoteza, byłaby potworną herezją. Przestrzeń teorii grawitacji Newtona jest niby nieskończone, puste naczynie, w którym zanurzona jest materia. Przestrzeń mechaniki Newtona nie wpływa na materię i sama nie podlega oddziaływaniu materii.
Ogólna Teoria Względności A.Einsteina przestrzeń Newtona zastępuje czasoprzestrzeń ,która jest obiektem fizycznym i oddziaływuje z materią[ciałami obdarzonymi masą]. Oddziaływamie polega na zmianie tzw. metryki ,czyli odległości dwóch zdarzeń w czasoprzestrzeni.Czasoprzestrzeń nie jest już płaska, lecz objawia krzywiznę.
Najkrótszą odległością między dwoma punktami czasoprzestrzeni nie jest już odcinek prostej, lecz odcinek krzywej.Czasoprzestrzeń o takiej strukturze/geometrii wpływa zkolei na materię ,a mianowicie: na jej kinematykę i dynamikę. Swobodne ciała nie poruszają się po liniach prostych, na skutek wewnętrznej krzywizny czasoprzestrzeni.
A jaką strukturę ma czasoprzestrzeń w pobliżu centrum tej gromady kulistej? [ESO 1252 ]
O tych relacjach między czasoprzestrzenią, a materią John Wheeler miał powiedzieć zwięźle i trafnie:“czasoprzestrzeń mówi materii jak ma się poruszać, a materia mówi czasoprzestrzeni jak ma się zakrzywiać”.
To zdanie jest jednocześnie odpowiedzią Wheelera na pytanie : czym jest grawitacja?
Całość obecnego mojego wpisu jest zawarta w jednym równaniu : równaniu pola Alberta Einsteina
Jeżeli jednak jakiś czytelnik uprze się i zażąda krótszej odpowiedzi na tytułowe pytanie, to nie zawaham się napisać do niego tak:
Grawitacja, to aktywność dynamiczna wszechświata założona w nim od samego jego początku i wszystko co istnieje, jej zawdzięcza swoje bycie. Wszystkie inne poznane oddziaływania fundamentalne, są wtórne ,pochodne względem tej aktywności wszechświata.
