Grawitacja, zwana też powszechnym przyciąganiem, jest znana ludziom od dawnych czasów, gdy tylko nasz gatunek uzyskał świadomość praw natury. Niestety, zjawisko to było błędnie interpretowane i nieopisywane matematycznie. Grawitacji podlegały przecież pociski miotane przez starożytne machiny wojenne, ale nie można znaleźć matematycznych obliczeń konstrukcji tych machin. W budowaniu ich i późniejszym celowaniu, opierano się na próbach i doświadczeniach.
Zawinił tu głównie Arystoteles, który swoim zwyczajem na wszystkie zjawiska miał swoje wytłumaczenie, najczęściej bałamutne. „Udowodnił”, że ciała cięższe spadają szybciej niż lżejsze i przez kilkanaście wieków musieli to wkuwać i powtarzać adepci nauk przyrodniczych. Za spadanie miała odpowiadać „piąta ważna cecha” – kwintesencja, która oprócz powietrza, wody, ognia i ziemi tworzyła wszystko, co występowało w świecie. W tych wywodach Arystoteles pomijał wpływ oporu powietrza i nie docierał do niego fakt, że ciasno zwinięty kłębek wełny spada szybciej niż tyle samo ważąca, lecz luźno połączona wełna.
Dopiero Galileusz swoimi eksperymentami i obliczeniami wykazał, że siła przyciągająca do Ziemi jest wprawdzie zależna od masy obiektu, ale proces nabierania szybkości spadania jest dla wszystkich obiektów taki sam, jeżeli odrzuci się hamowanie wywołane oporem powietrza.
Dopiero Newton, prawie wiek później, analizując orbity Księżyca i planet oraz wnioski Galileusza, wykazał, że istnieje powszechna siła przyciągania pomiędzy wszelkimi masami, rozciągająca się w nieskończoność, lecz malejąca z odległością. Korzystając z wniosków Newtona, można bardzo dokładnie obliczyć tor rakiety wędrującej pomiędzy planetami naszego Układu Słonecznego. Te same prawa grawitacji obowiązują na Ziemi i miały obowiązywać na wszystkich obiektach kosmicznych.
Skoczek z samolotu, dopóki nie rozwinie spadochronu, spada coraz szybciej (podobnie jak kamień do głębokiej studni). Dopiero przy szybkości około 200 km/godz, opór powietrza równoważy przyciąganie Ziemi i szybkość spadania przestaje narastać. Drobne odłamki skalne nadlatujące w okolice Ziemi rozpędzane są w próżni przyciąganiem grawitacyjnym do ponad 11 km/sek i dopiero w atmosferze gwałtownie wyhamowują, najczęściej spalając się.
Zależność sił grawitacyjnych od mas i odległości pomiędzy nimi wydaje się prosta i tłumacząca wszystko, co wokół nas obserwujemy. Do niedawna nikt z fizyków nie potrafił wytłumaczyć, skąd się bierze siła przyciągania grawitacyjnego. Sprawa zaczęła się wyjaśniać (ale jednocześnie komplikować) po publikacjach Einsteina ujętych jako Ogólna Teoria Względności.
Podstawowym założeniem tej teorii jest niemożliwość stwierdzenia w zamkniętym obiekcie (klatce windy, rakiecie kosmicznej), czy siła oddziaływująca na obiekty jest siłą grawitacji, czy wynika ze zmiany prędkości. Astronauci w startującej pionowo rakiecie przyciskani są do fotela, tak jakby Ziemia zwiększyła swoje przyciąganie. W nurkującym samolocie siła przyciągania jakby zanika i gdyby nie wyglądać przez wizjer, wydaje się jakby Ziemia przestała przyciągać. Analizując te sytuacje zgodnie z zasadami mechaniki, Einstein i inni fizycy doszli do wniosku, że w pobliżu skupionych mas, prędkość światła ulega zmniejszeniu.
Ten ostatni wniosek dał fizykom odpowiedź na nurtujące ich od lat pytanie: „skąd się bierze energia spadającego na Ziemię kamienia?”. Otóż dokładne obliczenia pokazują, że jest ona czerpana z ubytku energii zawartej w masie, wyrażonej słynnym wzorem E=mc2 (ubytku wynikającego ze zmniejszenia prędkości światła – c). Ta interpretacja zjawiska przyciągania grawitacyjnego dała fizykom odpowiedź na niewytłumaczalną przez fizykę klasyczną orbitę Merkurego, krążącego wokół wielkiej masy Słońca, oraz na wielokrotne obrazy odległych gwiazd wywołane tak zwanymi soczewkami grawitacyjnymi.
Wnikliwa analiza równań Teorii Względności doprowadziła w latach 60. ubiegłego wieku do przewidzenia zjawiska „czarnych dziur”. Siły grawitacji wielkich mas mogą być tak wielkie, że ściskają materię do nieprawdopodobnych gęstości i nie pozwalają na wyrwanie się z ich zasięgu niczego, nawet światła. Wokół tych czarnych dziur wyznaczany jest tak zwany horyzont zdarzeń, poza którym nie możemy dostrzec już niczego, a fizycy zaniepokojeni są, czy tam dalej obowiązują poznane przez nich prawa dotyczące obserwowalnej przestrzeni. „Czarne dziury” stały się faktem, położenie ich jest wyznaczane przez astronomów, ale z drugiej strony okazało się, że nieco energii z nich ucieka (parują) przez efekt tunelowy opisany przez Hawkinga.
Współczesny opis zjawiska grawitacji może się wydawać dokładny i spójny, lecz fizykom nie udaje się powiązać tego zjawiska z poznanymi i równie dokładnie opisanymi zjawiskami elektromagnetycznymi i jądrowymi. Na jednolitą „teorię wszystkiego” bezskutecznie oczekują fizycy od ponad pół wieku. W tym czasie zaobserwowano w Kosmosie zjawiska, które podważają uznane dotychczas teorie.
Astronomowie mierząc wirowanie naszej Galaktyki stwierdzili, że nie może być to opisane równaniami Newtona, nawet poprawionymi przez Teorię Względności. Galaktyki wirują tak, jakby wewnątrz nich znajdowała się jakaś rozproszona materia, wielokrotnie cięższa niż wszystkie razem poznane obiekty, która jednak nie daje się zaobserwować ani w świetle widzialnym, ani w innych zakresach promieniowania elektromagnetycznego. Nazwali to „ciemną masą” i starają się odkryć jej właściwości.
Z drugiej strony, analizując ruch całego obserwowanego Wszechświata, stwierdzili, że istnieje jakaś siła „rozpychająca” materię. To już za wiele. Nie znamy tego co dodatkowo przyciąga i tego co dodatkowo odpycha. Do opisania tych przeciwstawnych zjawisk, fizycy powrócili do metody Archimedesa, nazwali to znowu „piątym czynnikiem” – kwintesencją.
Taki dodatkowy element był przywoływany przez fizyków wielokrotnie w przeszłości. Spalanie i przewodzenie ciepła miało być możliwe dzięki flogistonowi, rozchodzenie fal radiowych dzięki eterowi. Okazało się, że zjawiska te można wytłumaczyć bez tych hipotetycznych substancji. Może „ciemna masa” czy kwintesencja również okażą się niepotrzebne w opisie tych tajemniczych (jak na razie) zjawisk.
Te niekompletne opisy otaczającego nas zjawiska grawitacji rozbudzają wyobraźnię wielu ludzi. Różni „wynalazcy”, błędnie interpretując wnioski fizyków lub myląc się przy analizie wzorów, chcą przekonać świat, że odkryli sposób na unicestwianie przyciągania grawitacyjnego. Nad takim ekranem samoloty mogłyby unosić się w powietrzu bez silników a rakiety startować w Kosmos z ogromnymi ciężarami. Nie przekonuje tu dowód Gaussa, że efektu grawitacji opisanego wzorem Newtona nie można w żaden sposób „zaekranować”. Twierdzą, że skoro wzór Newtona został poprawiony przez Teorię Względności, to taki ekran może powstać, tylko koncerny naftowe to wstrzymują, bojąc się utraty zysków. Typowa „teoria spiskowa”.
Internet przepełniony jest zdjęciami unoszących się w powietrzu magów buddyjskich i wirujących kręgów, nad którymi ma podobno zanikać siła grawitacji. Pokazywana jest również żaba unosząca się nad stołem laboratoryjnym. Na zdjęciach i filmach można wiele pokazać, nie pokazując tego, co „pod stołem”.
Nikt nie zaprzecza, że zjawisko lewitacji (unoszenia) jest w technice realne. Są przecież szybkie pociągi unoszące się milimetry nad szynami, aby zredukować tarcie, są bezstykowe łożyska magnetyczne a w muzeach
techniki można zobaczyć krążki i pierścienie unoszące się nad naczyniami z ciekłym wodorem. Są to jednak efekty przeciwdziałania siłom grawitacji przez inne zjawiska (magnetyczne, elektryczne). Te inne siły mają jednak ograniczony, szybko zanikający efekt, w przeciwieństwie do sił grawitacyjnych rozciągających się w Kosmosie na olbrzymie odległości.
Gdyby przyjąć, że „ekran grawitacyjny” jest możliwy, to rozciągając go na ziemi po jednej stronie wiatraka, spowodowalibyśmy, że śmigła nad ekranem nic by nie ważyły (albo ważyły mniej), a z drugiej strony śmigła by opadały pod własnym ciężarem. Wiatrak zacząłby się kręcić nawet bez wiatru. Perpetuum mobile?
Oczywiście – „wynalazcy” twierdzą, że tak. Przywoływane są projekty i badania prowadzone w tajemnicy i z dużym nakładem środków przez laboratoria wojskowe, między innymi pod koniec II wojny w Niemczech i w USA. Brak rozsądku i trzeźwego myślenia mógł przecież dotyczyć również ludzi na wysokich szczeblach decyzji. Wiadomo, że nic z tych pseudonaukowych teorii nie wyszło, a pojawiające się tu i tam opisy to tylko mity i legendy.
Z inżynierskiego punktu widzenia natura grawitacji jest nieistotna. Wiadomo, że występuje i trzeba to uwzględniać we wszystkich projektach, takich jak mosty nad przepaściami i wysokie, podniebne budynki. Samolot, aby się wzniósł, musi uzyskać odpowiednią siłę aerodynamiczną na skrzydłach i dostatecznie duży ciąg silników. Ekrany grawitacyjne mogą być skuteczne tylko w powieściach science-fiction.
Przyjmuje się, że siła grawitacyjna wychodzi jak gdyby ze środka masy (np. ze środka Ziemi). W rzeczywistości przyciąga wszelka masa, skały pod nami, odległa góra, nawet w przeciwną stronę powietrze nad naszymi głowami.
Umiejscowienie początku tej siły w środku Ziemi jest wynikiem matematycznego sumowania wszystkich tych sił, czyli całkowania po objętości. Ziemia nie jest jednak jednorodna i w niektórych miejscach przyciąganie jest silniejsze, w innych słabsze. Precyzyjne instrumenty, wykrywając to, mogą wskazywać ułożenie warstw geologicznych i minerałów pod ziemią. Ładunki w pobliżu równika są o 3 gramy na każdym kilogramie lżejsze niż na naszych szerokościach geograficznych, gdyż od przyciągania grawitacyjnego odejmuje się siłę odśrodkową wirowania Ziemi. Precyzyjne wagi muszą być skalowane w zależności od miejsc, w których je używamy.
Zmienne oddziaływanie grawitacyjne ma wpływ na ruch obiektów w Kosmosie. Aby pokonać przyciąganie Ziemi, trzeba nadać rakiecie tak zwaną prędkość ucieczki, czyli 11.2 km/sek. Do umieszczenia satelity krążącego tuż nad atmosferą potrzebna jest prędkość 8 km/sek. Start z lżejszego Księżyca wymaga tylko 2.4 km/sek. Astronauci tam, na Księżycu, czują się dużo lżejsi i mogą podskakiwać wyżej, gdyż „ważą” 6 razy mniej niż na Ziemi. Z Jowisza nie mogłaby wystartować żadna współczesna rakieta, gdyż prędkość ucieczki to prawie 60 km/sek. Na planecie tak przyciągającej jak Jowisz nie moglibyśmy stać, gdyż czulibyśmy w kolanach ciężar taki, jaki odczuwa atleta dźwigający najcięższą sztangę.
Ta, do dzisiaj tajemnicza dla fizyków, siła grawitacji przykuła nas do rodzimej planety Ziemi na zawsze. Masowa kolonizacja Wszechświata przez ludzi, to mrzonki. Wyprawa jednego człowieka gdzieś w Kosmos wymaga nakładów większych niż zbudowanie dla niego tu, na Ziemi, nawet w najsroższym klimacie, najwspanialszych pałaców.
Chęć poznania praw rządzących Naturą jest jednak przemożna, a cele możliwe do osiągnięcia. Dlatego nie dziwmy się, że fizycy przekonują do swoich kosztownych badań i doświadczeń administracje bogatych krajów i dostają na to pieniądze.
(ami)
