Gravitace: Důvod, proč stojíme nohama na Zemi, je pro vědce stále záhadou

Gravitace je jednou ze čtyř základních sil ve vesmíru, vedle elektromagnetismu a silných a slabých jaderných sil. Navzdory tomu, že je všudypřítomná a důležitá pro to, aby naše nohy neodletěly ze Země, gravitace zůstává pro vědce z velké části záhadou, napsal server Livescience.

Starověcí učenci, kteří se snažili popsat svět, přišli s vlastními vysvětleními, proč věci padají k zemi. Řecký filozof Aristoteles tvrdil, že předměty mají přirozenou tendenci pohybovat se směrem ke středu vesmíru, o kterém věřil, že je středem Země, podle fyzika Richarda Fitzpatricka z Texaské univerzity.

Ale pozdější zjištění vytlačily naši planetu z její primární pozice ve vesmíru. Polský polyhistor Nicolas Copernicus si uvědomil, že dráhy planet na obloze dávají mnohem větší smysl, pokud je slunce středem sluneční soustavy. Britský matematik a fyzik Isaac Newton rozšířil Koperníkovy poznatky a usoudil, že jak slunce přitahuje planety, všechny objekty na sebe působí přitažlivou silou. 

Ve svém slavném pojednání z roku 1687 „Philosophiae naturalis principia mathematica“ (Matematické principy přírodní filozofie), popsal Newton to, co se nyní nazývá jako jeho zákon univerzální gravitace. Obvykle se píše takto:

Fg = G ( m1 ∙ m2 ) / r2

Kde F je gravitační síla, m1 a m2 jsou hmotnosti dvou objektů a r je vzdálenost mezi nimi. G, gravitační konstanta, je základní konstanta, jejíž hodnotu je třeba zjistit experimentem. 

Gravitace je mocná, ale ne tak mocná

Gravitace je nejslabší ze základních sil. Tyčový magnet elektromagneticky vytáhne kancelářskou sponku nahoru a překoná gravitační sílu celé Země. Fyzici vypočítali, že gravitace je 10^40 (to je číslo 1 následované 40 nulami) krát slabší než elektromagnetismus, podle Nova PBS.

Zatímco účinky gravitace lze jasně vidět na škále věcí, jako jsou planety, hvězdy a galaxie, gravitační síla mezi každodenními předměty je extrémně obtížné změřit. V roce 1798 provedl britský fyzik Henry Cavendish jeden z prvních vysoce přesných experimentů na světě, aby se pokusil přesně určit hodnotu G, gravitační konstanty, jak uvádí Sborník z Národní vědecké akademie.

Cavendish postavil to, čemu se říká torzní váha, a připevnil dvě malé olověné kuličky na konce trámu zavěšeného vodorovně tenkým drátem. Poblíž každé z malých kuliček umístil velké kulové olověné závaží. Malé olověné kuličky byly gravitačně přitahovány k těžkým olověným závažím, což způsobilo, že se drát zkroutil jen o malý kousek a umožnilo mu vypočítat G. 

Je pozoruhodné, že Cavendishův odhad pro G byl pouze o 1 % nižší od jeho moderní akceptované hodnoty 6,674 × 10^−11 m^3/kg^1 * s^2. Většina ostatních univerzálních konstant je známa s mnohem vyšší přesností, ale protože je gravitace tak slabá, vědci musí navrhnout neuvěřitelně citlivé zařízení, aby se pokusili změřit její účinky. Přesnější hodnota G dosud jejich přístrojovému vybavení unikala. 

Německo-americký fyzik Albert Einstein způsobil další revoluci v našem chápání gravitace. Jeho teorie obecné relativity ukázala, že gravitace vzniká ze zakřivení časoprostoru, což znamená, že i paprsky světla, které musí toto zakřivení následovat, jsou ohýbány extrémně masivními objekty. 

Einsteinovy ​​teorie byly použity ke spekulacím o existenci černých děr – nebeských entit s takovou hmotností, že z jejich povrchů nemůže uniknout ani světlo. V blízkosti černé díry Newtonův zákon univerzální gravitace již přesně nepopisuje pohyb objektů, ale přednost mají Einsteinovy ​​rovnice tenzorového pole.

Astronomové od té doby objevili ve vesmíru skutečné černé díry a dokonce se jim podařilo zachytit detailní fotografii té nejvíc kolosální, která žije ve středu naší galaxie. Jiné dalekohledy viděly efekty černých děr po celém vesmíru.

Aplikace Newtonova gravitačního zákona na extrémně lehké objekty, jako jsou lidé, buňky a atomy, zůstává podle „Minute Physics“ trochu neprobádanou hranicí. Výzkumníci předpokládají, že takové entity se navzájem přitahují pomocí stejných gravitačních pravidel jako planety a hvězdy, ale protože je gravitace tak slabá, je těžké to vědět s jistotou. 

Atomy se možná navzájem gravitačně přitahují rychlostí jedna na svou krychlovou vzdálenost místo na druhou – naše současné přístroje to nedokážou říct. Nové skryté aspekty reality by mohly být dostupné, kdybychom mohli měřit tak nepatrné gravitační síly.

Věčná síla tajemství

Gravitace mate vědce i jinak. Standardní model částicové fyziky, který popisuje působení téměř všech známých částic a sil, vynechává gravitaci. Zatímco světlo je neseno částicí zvanou foton, fyzici netuší, zda existuje ekvivalentní částice pro gravitaci, která by se nazývala graviton. 

Spojení gravitace v teoretickém rámci s kvantovou mechanikou, další velký objev fyzikální komunity 20. století, zůstává nedokončeným úkolem. Taková teorie všeho, jak je známo, se možná nikdy neuskuteční. 

Ale gravitace byla stále používána k odhalování monumentálních nálezů. V 60. a 70. letech astronomové Vera Rubin a Kent Ford ukázali, že hvězdy na okrajích galaxií obíhají rychleji, než by bylo možné. Bylo to skoro, jako by za ně gravitačně tahala nějaká neviditelná hmota a vynášela na světlo materiál, který dnes nazýváme temnou hmotou. 

V posledních letech se vědcům také podařilo zachytit další důsledek Einsteinovy ​​relativity – gravitační vlny emitované při rotaci hmotných objektů jako neutronové hvězdy a černé díry kolem sebe. Od roku 2017 otevřela Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nové okno do vesmíru detekcí mimořádně slabého signálu takových událostí.

Zdroj: Livescience