Záhada mocné gravitace: Co způsobuje a jak se projevuje základní síla ve vesmíru? (2.)

12.08.2018 - Michal Švanda

Pociťujeme ji všichni, aniž si to uvědomujeme. Díky gravitaci chodíme po Zemi, v důsledku jejího působení obíhá naše planeta kolem Slunce, celý náš solární pak krouží kolem středu Galaxie a ta se sama pohybuje působením gravitace okolních hvězdných ostrovů...

<p>Hmotná tělesa zakřivují prostoročas a jiné objekty se kolem nich pohybují po nejkratších trajektoriích – tzv. geodetikách –, které v jistých případech odpovídají kuželosečkám</p>

Hmotná tělesa zakřivují prostoročas a jiné objekty se kolem nich pohybují po nejkratších trajektoriích – tzv. geodetikách –, které v jistých případech odpovídají kuželosečkám


Reklama

V přechozí části článku došel Isaac Newton k závěru, že na těleso s větší hmotností sice působí větší gravitační síla, ta však zároveň musí vykonat víc práce, aby jej uvedla do pohybu. Ve výsledku tedy gravitační síla uděluje všem objektům stejné gravitační zrychlení, a můžeme-li zanedbat další vlivy – například odpor vzduchu –, získali jsme právě teoretickou interpretaci Galileových experimentů s různě těžkými koulemi. 

Předchozí část: Co způsobuje a jak se projevuje základní síla ve vesmíru? (1.)

Iluzorní beztíže v kosmu

Newtonův zákon obecné gravitace nás ovšem přivádí k paradoxu. Gravitační síla působící na astronauta na palubě Mezinárodní vesmírné stanice odpovídá asi 9/10 hodnoty gravitační síly působící na téhož astronauta na povrchu naší planety. Jak je tedy možné, že zmíněný člen posádky nespadne i s celou stanicí stejně jako na Zemi, byť o něco pomaleji?

Tíže a gravitační síla totiž nejsou totéž. Tíže představuje výslednici mnoha sil působících na těleso, přičemž gravitace je pouze jednou z nich. Ostatně i na povrchu naší planety se tíhové zrychlení liší od gravitačního. Země se totiž otáčí, a všechny objekty tak ovlivňuje rovněž odstředivá síla. Až na oblasti zemských rotačních pólů je tudíž tíhové zrychlení – tedy to, které ve výsledku pociťujeme například i my – menší než zrychlení gravitační. 

Na palubě Mezinárodní vesmírné stanice pak nastává stejný efekt: ISS obíhá kolem Země po téměř kruhové trajektorii, a na astronauty proto působí odstředivá síla. Fyzikální zákony tomu chtěly, že má-li být oběžná dráha stanice stabilní, musejí se gravitační i odstředivá síla nacházet právě v rovnováze. Výslednice je tudíž nulová a astronauti se skutečně pohybují v beztížném stavu. 

Rovnováha mezi odstředivou silou a gravitací má však ještě jeden zajímavý rozměr: Umožňuje totiž velmi snadno vytvořit prostředí s „umělou gravitací“, i když teď již víme, že bychom měli mluvit spíš o „umělé tíži“. Stačí kosmickou loď uvést do rotace a odstředivá síla pak roli gravitace plně zastane. Mimochodem, zmíněný koncept není cizí autorům vědecko-fantastických románů – vzpomeňme například slavnou Vesmírnou odyseu Arthura C. Clarka. 

Na tahu je relativita

Newtonova interpretace pohybů těles však v moderní době narazila na obtíže. Planety velmi dobře „poslouchaly“ zákon všeobecné gravitace, dokonce se díky jeho aplikaci podařilo v roce 1846 objevit posledního člena Sluneční soustavy, Neptun. Uran se totiž na své trajektorii vytrvale odchyloval od předpovědi, jež započítávala gravitaci Slunce a posléze i rušení velkých planet – a Anders J. Lexell z toho v roce 1781 usoudil, že se na periferiích musí nacházet ještě další objekt, který s Uranem „cloumá“. 

Při výpočtech pozice neznámého člena našeho solárního systému uspěl Francouz Urban Le Verrier a 23. září 1846 pak Němec Johann G. Galle nalezl hledanou planetu necelý 1° od propočítané polohy. Situaci se tak povedlo opět uvést „do normálu“ – až na pohyb nejbližšího souseda Slunce, Merkuru, který vzdoroval. Jeho dráha se v prostoru neustále stáčela o 43″ (úhlových vteřin) za tropické století oproti předpovědi se započtením všech známých gravitačních vlivů. A ke kýženému výsledku nevedl ani podobný krok jako v případě Uranu – tedy hledání další planety. 

Odchylky v pohybu Merkuru vysvětlila až obecná teorie relativity, kterou v roce 1915 publikoval Albert Einstein. Geniální fyzik spojil do té doby oddělené klasické pojmy „prostor“ a „čas“ do jednoho „prostoročasu“, v němž mohou hmotná tělesa vytvářet odchylky od rovinné – eukleidovské – geometrie. Fyzikové tak o obecné teorii relativity často hovoří jako o geometrické teorii gravitace. 

Představme si pro jednoduchost časoprostor jako natažené pružné plátno: V případě absence jakýchkoliv objektů bude perfektně rovné. Pokud v takovém systému vypustíme malou kuličku, bude se po plátně pohybovat rovnoměrně přímočaře, přičemž tření a valivý odpor přirozeně zanedbáváme. Co se však stane, jestliže do našeho prostoročasu vložíme hmotný objekt? Plátno se v jeho okolí prohne a vržená kulička se již kolem takového tělesa nebude pohybovat rovnoměrně přímočaře – prohlubenina její pohyb ovlivní a kulička se vydá po takové trajektorii, aby úsek mezi dvěma body urazila v nejkratším čase. Bude se pohybovat po tzv. geodetice, a dosáhne-li její rychlost „správného“ směru i velikosti, bude dokonce po plášti prohlubeniny neustále kroužit po uzavřené kuželosečce – úplně stejně jako planety obíhají kolem Slunce. Newtonův zákon všeobecné gravitace tudíž představuje speciální případ Einsteinovy obecné teorie relativity. 

Avšak i světlo, které v klasickém pohledu na gravitaci nereaguje, neboť fotony jsou nehmotné, musí následovat křivky časoprostoru. Jeho trasu tedy v našem modelu ovlivní přítomnost hmotných objektů. Astrofyzikové mluví o efektu gravitačního ohybu, odkud není daleko ke gravitační „optice“ a gravitačním čočkám. Ověření tohoto důsledku obecné teorie relativity přišlo záhy: Již v roce 1919 změřil Arthur Eddington gravitační ohyb světla vzdálených hvězd okolo Slunce, a to při úplném zatmění, které bylo pozorovatelné 29. května uvedeného roku v jižní Africe. Hvězdy se v důsledku gravitačního ohybu zdály být od slunečního disku dál, než se měly nacházet podle katalogů a srovnávacích snímků pořízených o půl roku později. Změřená odchylka se pak ukázala být v souladu s předpovědí teorie relativity. 

Co je lepší než obecná relativita?

Obecná teorie relativity však nejspíš nemá poslední slovo v popisu pohybu částic a těles v gravitačních polích. Nefunguje totiž na mikroskopických škálách, kde svět naopak velmi dobře popisuje kvantová mechanika, jež je ovšem s obecnou teorií relativity neslučitelná. Jenže vesmír okolo nás je jen jeden, a měl by jej tedy beze zbytku obsáhnout jediný fyzikální koncept. Není přirozené, aby makrosvětu odpovídala jedna teorie a mikrosvětu druhá. 

Fyzikové vždy hledají sjednocující zjednodušení. Tři z uvedených interakcí – elektromagnetickou a silnou a slabou jadernou – se již podařilo sloučit v teorii velkého sjednocení. Jde o hypotetický konstrukt: dochází k němu při vysokých energiích, kdy není možné uvedené tři interakce rozlišit, přičemž se postupně „odštěpují“ s klesající teplotou a tlakem. V současnosti se sice teorie velkého sjednocení prakticky nerealizuje, ale v raném kosmu tomu zřejmě bylo jinak (více v minulém vydání Tajemství vesmíru).

Spojení s ostatními popisy se tak brání jen gravitace a odhalení tzv. teorie všeho by představovalo velký průlom v současném chápání fyziky. Dost možná by nám chování gravitace na kvantové úrovni mohlo poskytnout důležité svědectví k pochopení již zmíněné temné energie. Jedná se totiž o další z hypotéz vysvětlujících původ a vlastnosti této podivné vesmírné substance. Nicméně experimenty studující projevy gravitace na mikroskopických škálách jsou nesmírně obtížné, a proto jde prakticky o „pole neorané“. Teoretické předpovědi se pohybují v rozsahu od normálního chování gravitace přes její vymizení na kvantové úrovni až po obrácení znaménka. 

  • Zdroj textu:

    Tajemství vesmíru

  • Zdroj fotografií:

Reklama

Další články v sekci

Reklama

Reklama

Aktuální články

Hamlet a duch jeho otce na obraze Pedra América de Figueiredo e Mello z roku 1893.

Zajímavosti
Historie
Revue

Operace pomocí dálkově řízených robotů najdou v budoucnosti uplatnění nejen v dobách krize.

Věda

Vostok: Poprvé do kosmu

1961-1963

Pionýrskou pilotovanou kosmickou loď vypustil 12. dubna 1961 Sovětský svaz pod názvem Vostok 1. Na palubě se nacházel první kosmonaut světa Jurij Gagarin. Plavidlo tvořily dvě části: Kabina kulového tvaru o průměru 2,3 m, jejíž povrch pokrýval ablativní štít pro zajištění bezpečného návratu na Zemi, byla určena pro jednoho člověka. Kosmonaut měl na sobě po celou dobu letu skafandr. Druhou část představoval přístrojový úsek s raketovým motorem. V rámci programu Vostok se uskutečnilo šest letů, při posledním z nich zamířila do vesmíru první žena, Valentina Těreškovová.

Vesmír

Francouzských jednotek se operace Michael téměř nedotkla

Válka

Nové časopisy Extra Publishing

RSSInzerceO serveru (Redakce)Partnerské weby
© Extra Publishing, s. r. o. 2007–2011. ISSN 1804-9907