Gravitācija

Fizikā gravitācija ir dabas parādība, kas izpaužas kā savstarpēja pievilkšanās starp fizikāliem ķermeņiem. Tā piešķir svaru fizikāliem objektiem un izpaužas kā mijiedarbība starp tiem. Gravitācija iedarbojas uz visiem objektiem vai daļiņām neatkarīgi no to veida. Pastāv hipotēze, ka gravitācijas pārnesi nodrošina elementārdaļiņas bez masas — gravitoni.

Gravitācija ir viena no četrām fundamentālajām elementārdaļiņu mijiedarbībām dabā (pārējās trīs ir vājā, stiprā un elektromagnētiskā). Zināmo mijiedarbību vidū gravitācijas spēki ir visvājākie. Gravitācijas mijiedarbībai nav lielas ietekmes atoma iekšienē starp elementārdaļiņām, bet tā izpaužas starp objektiem makroskopiskā līmenī, kļūst noteicoša lielu kosmisku objektu gadījumā.

Vēsture

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.

Renesanse 
Nikolajs Koperniks (1473—1543) ir heliocentriskā pasaules uzskata pamatlicējs (darbi “Mazais komentārs” 1515. g. un “Par debesu sfēru griešanos” 1543. g.). Atšķirībā no antīkās pasaules pārstāvjiem, kas debess ķermeņu redzamo kustību uzskatīja par neapstrīdamu patiesību, N. Koperniks ignorēja “ietiepīgos empīriskos faktus” un izveidoja intelektuālu modeli, kas arī spēj aprakstīt un izskaidrot novērojamās dabas parādības. Viņa izveidotajā pasaules ainā smagums tiek uzskatīts par visu ķermeņu dabisko tiekšanos savienoties ideālā lodveida ķermenī; tādējādi izskaidroja arī to, ka Saulei u.c. debess ķermeņiem ir lodveida forma. Pagāja gandrīz gadsimts, līdz Kopernika ideju sāka uztvert nopietni.

Ļoti liela nozīme astronomijas attīstībā (un līdz ar to arī gravitācijas likuma atklāšanā) bija dāņu astronomam Tiho Brahem (1564—1601). Visu savu dzīvi viņš bija ļoti darbīgs un veica pārsteidzoši precīzus zvaigžņu un planētu stāvokļa mērījumus. T. Brahem teleskopa nebija. Taču uz savu vizuālo novērojumu pamata viņš spēja atrisināt daudzus tolaik nenoskaidrotus jautājumus.

Itālis Galileo Galilejs (1564—1642), tā vietā, lai atbildētu uz jautājumu “Kāpēc ķermeņi krīt?”, meklēja atbildes uz ļoti svarīgo “Kā ķermeņi krīt?”. Lūk, kādi šai sakarībā bija viņa galvenie secinājumi:

 ķermeņu krišanas ātrums nav atkarīgs no to masas;
 krītošu ķermeņu kustība ir paātrināta kustība;
 krišanas augstums ir proporcionāls krišanas laika kvadrātam.

Pie šādiem slēdzieniem G. Galilejs nonāca, veicot eksperimentu sērijas. Interesanti, ka laika mērīšanai viņš izmantoja savu pulsu, un, lai uzlabotu mērījumu precizitāti, kustību palēnināja: pētīja nevis brīvo krišanu, bet gan ķermeņu ripošanu pa slīpo plakni. Izrādījās, ka ar abām šīm metodēm iegūtie rezultāti kvalitatīvi ir analoģiski. G. Galilejs bija arī viens no pirmajiem zinātniekiem, kas atzina Kopernika mācības pareizību; to apstiprināja ar pašdarināto tālskati veiktie astronomiskie novērojumi.

Vienlaikus ar G. Galileju darbojās vācu zinātnieks Johanness Keplers (1571—1630). Galvenos sasniegumus viņš guva astronomijā. Simt gadu pēc Kopernika, izmantojot T. Brahes rūpīgos un ilggadējos Marsa novērojumus, J. Keplers formulēja savus slavenos planētu kustības likumus. Riņķa orbītas viņš aizvietoja ar eliptiskām, vienmērīgo kustību ar nevienmērīgu kustību un planētu apriņķošanas periodu izteica atkarībā no šo planētu vidējā attāluma līdz Saulei. J. Keplers pieņēma, ka Saule ir planētu kustības spēka avots, bet tomēr vēl neizprata šo spēku dabu.

Ņūtona gravitācijas likums 

Uz Kopernika un Keplera heliocentriskās paradigmas bāzes Īzaks Ņūtons darbā "Dabas filosofijas matemātiskie principi" (1687, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, pazīstams kā Newton's Principia) radīja Ņūtona mehānikas pamatus un vispasaules gravitācijas koncepciju. Būtībā visa vēlākā 18. un 19. gadsimta tā sauktā klasiskā fizika balstījās uz Ņūtona mehānikas pamatprincipiem.

Populārais stāsts par to, ka I. Ņūtonam sēžot zem ābeles uz galvas uzkritis ābols un viņš pēkšņi atklājis vispasaules gravitācijas likumu, tāpat kā vairums šādu leģendu, droši vien nav patiesība. Daudz ticamāk, ka I. Ņūtons nodarbojās ar G. Galileja krišanas likumu piemērošanu kādam neparastākam objektam — Mēnesim. Kāpēc Mēness nenokrīt uz zemes kā visi citi neatbalstīti priekšmeti? Vai tas būtu imūns pret gravitāciju? Un Ņūtons saprata, ka Mēness (gluži kā ļoti lielā ātrumā izšauta lielgabala lode) visu laiku krīt gan uz Zemi, bet - nekad nenokrīt. Tādējādi Ī. Ņūtons aptvēra, ka gravitācija darbojas ne tikai uz Zemes. Tā darbojas arī kosmosā un tā bija revolucionāra doma. I. Ņūtons konstatēja, ka, zinot Keplera likumus, viņš var izskaidrot visas Saules sistēmas ķermeņu kustību ar vienu gravitācijas likumu (1667): visi ķermeņi savstarpēji pievelkas ar spēku, kas proporcionāls ķermeņu masām un apgriezti proporcionāls to savstarpējā attāluma kvadrātam.

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.

Ārējās saites 

 Cik ātra ir gravitācija?
 A. Spektors. Gravitācijas viļņi.

 
Fundamentālā mijiedarbība