gravitacija

ilustracija
GRAVITACIJA - gibanje njihala pod utjecajem gravitacije: α₀ amplituda, α - elongacija L dužine njihala, m - masa njihala, g - akceleracija sile teže

gravitacija (prema lat. gravitas: težina), sila uzajamnog privlačenja između masa. Po Isaacu Newtonu, gravitacija je osnovno svojstvo mase. Po Albertu Einsteinu, gravitacija je posljedica zakrivljenosti prostora.

Klasična teorija gravitacije

Newton je povezao Galileijeve zakone slobodnog pada s Keplerovim zakonima o kretanju planeta i izveo opći zakon privlačenja masa (1681). Prema tom zakonu svaka čestica tvari privlači svaku drugu česticu tvari silom (F) koja je razmjerna umnošku njihovih masa, a obrnuto razmjerna kvadratu njihovih udaljenosti i usmjerena prema njihovoj spojnici. Matematički izraženo:

F = G m1m2/r²,

gdje su m1 i m2 mase čestica koje se privlače, r njihova međusobna udaljenost, a G gravitacijska konstanta. To je temelj Newtonove ili klasične teorije gravitacije, koju su dalje matematički razradili Siméon Denis Poisson, Pierre Simon de Laplace, Joseph Louis de Lagrange i Jean Baptiste Le Rond d’Alembert.

U nebeskoj mehanici dovoljno je pretpostaviti da su svemirska tijela materijalne točke, koje prema veličini svojih masa uzajamno djeluju jedna na drugu. Međutim, može se dokazati, a to je već i Newton učinio, da svaka kuglasta homogena masa, ili masa sastavljena od homogenih koncentričnih slojeva, djeluje na bilo koje drugo tijelo istom silom kojom bi djelovala da je sva njezina masa koncentrirana u središtu kugle. Tako se dobiva da je sila kojom Zemlja privlači neko tijelo mase m jednaka F = mg, gdje je m masa tog tijela, a g gravitacijsko ubrzanje:

g = G M/r0²

(G je gravitacijska konstanta, M masa Zemlje, a r0 polumjer Zemlje). U ovom obliku prepoznaje se Galileijev zakon, a Newtonova je zasluga što je dokazao da taj isti zakon vrijedi i za gibanje Mjeseca oko Zemlje te za gibanje planeta oko Sunca. – Zbog rotacije, Zemlja je poprimila oblik geoida, tj. nije savršena kugla, nego je sploštena na polovima i izdužena na ekvatoru. Zbog rotacije i takva oblika Zemlje težina nekog tijela na polovima je oko 0,5% veća od njegove težine na ekvatoru. Raspored masa na površini Zemlje (oceana, planina), sastav Zemljine kore, visina od morske površine, itd., zajedno s rotacijom i sploštenošću Zemlje, uzrokuju da gravitacijsko ubrzanje varira od jedne do druge točke na Zemlji. Prihvaćena vrijednost za g0, gravitacijsko ubrzanje na morskoj površini, iznosi 9,80665 m s–2.

Einsteinova teorija gravitacije

U klasičnoj teoriji gravitacije kao fundamentalni postulati postoje apsolutni prostor i apsolutno vrijeme. Einstein je uvidio da je pojam apsolutnoga vremena, koji je na prvi pogled potpuno logičan, zapravo neodrživ. Da bi se usporedilo vrijeme između dvaju promatrača u različitim sustavima referencije, potrebno je poslužiti se nekim signalom. Jedini je fizikalno mogući način upotreba svjetlosnoga signala. No kako je brzina svjetlosti konstantna i neovisna o sustavu promatranja, Einstein je pokazao da vrijeme mora zavisiti o sustavu. Vrijeme je, a prema tome i pojam istodobnosti dvaju događaja, relativno. Tretirajući vrijeme kao varijablu ekvivalentnu prostornim varijablama, Einstein je, slijedeći put što ga je pokazao Hermann Minkowski, izgradio pojam četverodimenzionalnoga prostora – prostorno vremenskoga kontinuuma. Geometriju takva prostora određuje materija, a gravitacija je samo posljedica geometrije fizikalnoga prostora. Drugim riječima, gravitacija je samo posljedica činjenice da kontinuum prostor–vrijeme nije ravan, nego zakrivljen. Čestica materije ubačena u svemir ne bi se gibala po pravcu, kako to traže Newtonove jednadžbe, nego po geodetskoj liniji, koja fizički predstavlja (vremenski) najkraću stazu između bilo kojih dviju točaka u svemiru. Zrake svjetlosti također se ne šire pravocrtno, nego se i one ponešto savijaju u gravitacijskom polju. (→ gravitacijske leće)

Einsteinova teorija gravitacije prelazi u prvoj aproksimaciji u klasičnu teoriju, a kako su efekti teorije relativnosti vrlo maleni, to je eksperimentalno teško dokazati njezinu ispravnost. Dosadašnji eksperimentalno dobiveni podatci, kao npr. oni o odstupanju stvarne putanje Merkura oko Sunca od putanje koju daje klasična teorija, ili pak oni o savijanju zraka svjetlosti u gravitacijskom polju Sunca (pomak prema crvenomu dijelu spektra), u skladu su s Einsteinovom teorijom gravitacije.

Iako je ta teorija gravitacije skladna, ona je ipak komplicirana, pa je bilo više pokušaja da se nađu jednostavnija načela na kojima bi se mogla izgraditi teorija gravitacije. Najviše uspjeha postigli su američki matematičar George David Birkhoff i Edward Arthur Milne. U novije doba radi se na tzv. unificiranoj teoriji polja koja bi trebala istim jednadžbama obuhvatiti i gravitacijsko i elektromagnetsko polje. Dosadašnji pokušaji još nisu dali potpuno zadovoljavajuće rezultate.

Od četiriju poznatih osnovnih sila u prirodi, gravitacija je najslabija pa je u području atoma i molekula potpuno zanemariva prema elektromagnetskim i nuklearnim silama. U kozmičkim dimenzijama, gdje međusobno djeluju velike nakupine masa gravitacija igra važnu ulogu. Astronomska otkrića pulsara i kvazara i teorije o razvoju zvijezda stavljaju teoriju gravitacije pred nove probleme, kao što su pitanje stalnosti gravitacijske konstante tijekom vremena, mehanizam gravitacijskoga kolapsa koji uzrokuje energetsku degeneraciju zvijezda. Kod gravitacijskoga kolapsa, sile zvjezdane gravitacije posve nadjačaju sile pritiska zračenja i zvijezda se sažima i postaje za promatrača nevidljiva crna rupa. Za objašnjenje tih pojava može se pokazati nužnom kvantizacija gravitacijske teorije (→ kvantna mehanika). Energija gravitacijskoga polja bila bi kvantizirana i širila bi se gravitacijskim valovima. Kvant gravitacijskoga polja naziva se graviton.

Moderni pokusi usmjereni su na precizno određivanje deformacije prostorno-vremenskoga kontinuuma koji Zemlja svojom gravitacijom uzrokuje i prema preciziranju, odnosno eventualno proširenju Einsteinove teorije gravitacije. U tu svrhu konstruiraju se sateliti (npr. gravitacijska sonda B) koji vrlo osjetljivim giroskopima, kojih je vlastito odstupanje manje od 10–11 stupnja na sat, mjere deformacije gravitacijskoga polja. Također se izvode pokusi interakcije elektromagnetskog i gravitacijskog polja, zasjenjivanja gravitacije štitovima bilježenja gravitacijskih valova itd.

gravitacija. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 19.10.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=23172>.