Gravitācija

Antīkā pasaule

Problēma par to, kas ir ķermeņu savstarpējās gravitēšanas pirmcēlonis, izsenis ir bijusi dabaszinātnieku un filozofu redzeslokā. Jau Aristotelis (384.-322. p.m.ē.) savā traktātā “Fizika” rakstīja, ka kosmosa smagās stihijas (zeme un ūdens) tiecas uz tā centru — Zemi. Aristotelis ir arī viens no ģeocentriskās pasaules sistēmas pamatlicējiem. Mūsu ēras 2. gadsimtā Aleksandrijā darbojās Klaudijs Ptolemajs, kura ievērojamākais darbs ir “Astronomijas lielā matemātiskā koncepcija” (arābiskais nosaukums — “Almagest”). Tajā pausts uzskats, ka Zeme ir nekustīga, jo, ja tā grieztos ap savu asi, tad, pateicoties centrbēdzes efektam, kas bija pazīstams jau senatnē, Zeme sadalītos gabalos. Šāds ģeocentriskās kosmoloģijas iespaids saglabājās līdz pat Kopernika laikam.

Eksperimentāla pārbaude

Universālā gravitācijas konstante tika noteikta eksperimentāli. Pirmais to 1798. g. noteica angļu zinātnieks Henrijs Kevendišs (1731-1810), izmantojot vērpes svarus — divas vienādas svina lodes, kurām zināma masa m, kas savienotas ar stienīti un piekārtas elastīgā diegā. Kevendišs svarus rūpīgi graduēja, t.i. noteica sakarību starp spēku un elastīgās stieples vērpes leņķi. Noteiktā attālumā no šim lodēm tika novietotas divas lielas lodes, kuru masa zināma. Lielās lodes pievilka svina lodes un elastīgais diegs savērpās par noteiktu leņķi. Izmērot šo leņķi, Kevendišs noteica gravitācijas konstantes vērtību:
Zināms, ka H. Kevendišam izdevās sasniegt 5% precizitāti, salīdzinot ar mūsdienās lietoto konstantes vērtību. To izmantojot, viņš kā pirmais aprēķināja arī mūsu planētas masu.

Līdz 19. gadsimta beigām un Einšteinam

Pēc pusgadsimta I. Ņūtona teorija tika atzīta visā pasaulē. Debess mehānikas turpmākie praktiskie sasniegumi bija milzīgi. Izmantojot gravitāciju, Ņūtona draugs astronoms Edmunds Halejs (1656-1742) izskaitļoja 24 komētu orbītas, viena no tām tagad nes viņa vārdu. Viljams Heršels (1738-1822) atklāja divus Urāna un divus Saturna pavadoņus, kā arī pētot dubultzvaigznes, parādīja, ka Ņūtona likumi ir spēkā arī ārpus mūsu Saules sistēmas. Ņūtona gravitācijas teorijas triumfs bija vēl neatklātās planētas Neptūna orbītas aprēķināšana. Gravitācijas likums izskaidroja arī Saturna gredzenu struktūru: Džeimss Klārks Maksvels (1831-1879) parādīja, ka tie nevar būt masīvas loksnes, kā domāja līdz tam, bet sastāv no atsevišķām daļām. Tomēr visi 18. un 19. gs. zinātnieku centieni izskaidrot gravitācijas būtību ar dažādām hipotēzēm — gan atomārām, gan ētera hipotēzēm — pozitīvus rezultātus nedeva.
Lai arī Ņūtona teorija tika uzlabota un precizēta, 19. gadsimta beigās parādījās pirmie tās trūkumi (piemēram, nespēja izskaidrot Merkura orbītas perihēlija precesiju u.c.). Jaunu koncepciju gravitācijas lauka teorijā radīja Alberta Einšteina (1879-1955) vispārīgā relativitātes teorija (1915).

Ņūtona un Einšteina teoriju atšķirības

Ņūtona gravitācijas teorijā pieņemts, ka laiks un telpa ir absolūti un savstarpēji nesaistīti lielumi. Savukārt A. Einšteins ar relativitātes teoriju parādīja, ka tie ir savstarpēji saistīti. Einšteina teorija balstās uz postulātu, ka gaismas ātrums ir lielākais pasaulē iespējamais ātrums. Kustība notiek četrdimensiju telpā. Saskaņā ar Einšteina teoriju, matērija "izliec" laiktelpu. Līdz ar to, piemēram, gaisma lielas masas ietekmē, nepārvietojas vis pa taisnām līnijām, bet gan pa liektu trajektoriju. Pēc būtības, Ņūtona gravitācijas teorija ir Einšteina teorijas speciālgadījums.
Ņūtona teorija nespēj izskaidrot gravitācijas viļņus vai melnos caurumus.
Einšteina teorija paredz, ka gravitācijas izplatīšanās ātrumam būtu jāsakrīt ar gaismas ātrumu. Nav atklātas gravitācijas spēka nesējdaļiņas (elektromagnētiskajam spēkam tās, piemēram, ir fotoni).

Pielietojamības robežas

Ja gravitācijas lauki ir relatīvi vāji un ķermeņu ātrumi ir mazi (salīdzinot ar gaismas ātrumu vakuumā), spēkā ir Ņūtona gravitācijas teorija. Mūsu dienās astronomijā uz Ņūtona gravitācijas teoriju balstās aprēķini debess mehānikā. Uz zemes gravitācija izpaužas tādējādi, ka jebkuram ķermenim ir pielikts smaguma spēks, kas izraisa balstvirsmas reakciju vai arī piešķir tam brīvās krišanas paātrinājumu.
Ja gravitācijas lauki ir spēcīgi, gravitācijas parādību aprakstam izmanto vispārīgo relativitātes teoriju jeb Einšteina gravitācijas teoriju, kas izveidota, vispārinot Ņūtona gravitācijas teoriju un balstoties uz speciālās relativitātes teorijas atziņām. Einšteina gravitācijas teorijas eksperimentālā pārbaude (pirmoreiz veikta pilnā Saules aptumsuma laikā 1919. g., novērojot gaismas stara noliekšanos Saules masas ietekmē) turpinās līdz mūsu dienām.