Kas ir gravitācija? (26)

Kāpēc gravitācijas spēks ir tik vājš?

Vai gravitācijas spēkam ir nesējdaļiņas?

Vai gravitācija visur ir vienāda?

Vai gravitācijas likums jāpārskata?

Rit 1666. gads, un Anglijas pilsētā Vulstorpā koki laistās spilgtās rudens krāsās. Divdesmit trīs gadus vecs nopietns jauneklis, ieradies īsā apciemojumā, sēž savas bērnības mājas dārzā. Anglijā plosās mēris, un, lai izvairītos no slimības, jaunais vīrietis ir atbēdzis šurp no studiju vietas Kembridžas. Dārzā viņš pēkšņi pamana, ka no ābeles zemē nokrīt ābols.

Šim vienkāršajam novērojumam esot bijusi tālejoša ietekme uz dabaszinātņu attīstību. Zinātkārajam jauneklim radās doma, ka ābols krīt zemē tāpēc, ka tas un zemeslode savstarpēji pievelkas. Turklāt tas nebija viss. Viņš iztēlojās, ka šis pats princips attiecas arī uz Mēnesi, proti, tas turas savā orbītā apkārt Zemei tāpēc, ka abi debess ķermeņi savstarpēji pievelkas.

Vērīgo jaunekli sauca Izaks Ņūtons, bet savstarpējā pievilkšanās bija gravitācijas spēks.

Šis spēks, kas būtiski ietekmē mūsu dzīvi, vienlaikus ir tieši tas no četriem fundamentālajiem spēkiem (trīs pārējie ir elektromagnētiskais spēks, stiprais kodolspēks un vājais kodolspēks), par kuru pētnieki vēl arvien zina vismazāk. Galvenokārt tas skaidrojams tādējādi, ka gravitācijas spēks ir ārkārtīgi vājš - no galda var itin viegli pacelt krūzi, lai gan zem tās atrodas vesela planēta, kas velk to lejup. Tieši šīs gravitācijas spēka īpatnības dēļ nepieciešami ķermeņi ar milzīgu masu, lai to izmērītu. Tas nozīmē, ka veikt precīzus eksperimentus gravitācijas noslēpumu atklāšanai ir ļoti dārgi un sarežģīti. Situāciju neatvieglo arī tas, ka pēdējos gadu desmitos astronomi kosmosā novērojuši vairākas grūti izskaidrojamas ar gravitāciju saistītas parādības. Tās vedina domāt, ka Ņūtona un Einšteina formulētajiem gravitācijas likumiem būtu jāpievieno jauna, vēl nezināma sadaļa. 

Gravitācijas likumu ietver formulā

Ņūtons savu gravitācijas teoriju formulēja 1687. gadā ievērojamajā darbā “Dabas filozofijas matemātiskie principi”, ko zinātnes pasaulē mēdz dēvēt arī vienkārši par “Principiem”. Tajā viņš skaidro, ka visi ķermeņi iedarbojas cits uz citu ar pievilkšanās spēku. Tā lielums ir atkarīgs no abu priekšmetu masas un savstarpējā attāluma. Piemēram, arī divi visparastākie akmeņi pievelk viens otru, bet, tā kā to masa ir neliela, mēs nemanām nekādu spēku. Turpretī akmens un zemeslodes pievilkšanās spēks ir acīm redzams, jo Zemei ir pietiekami liela masa. Arī kosmosā starp jebkuriem diviem ķermeņiem darbojas gravitācijas spēks. Piemēram, Zemes un Mēness savstarpējā pievilkšanās kombinācijā ar Mēness ātrumu nozīmē to, ka Mēness nedz nokrīt, nedz aizlido projām, bet turas savā orbītā. Šis princips līdzinās situācijai, ja no kalna virsotnes nomet kādu priekšmetu. Tā trajektoriju veido vienmērīga kustība taisni uz priekšu un kritiens uz Zemes centra pusi. Ja ķermeni mestu pietiekami stipri, tas sāktu riņķot ap Zemi un gravitācijas spēks noturētu to riņķojumā gluži kā Mēnesi. Tas pats attiecas uz planētām. Planēta noturas savā orbītā apkārt Saulei, jo starp to un Sauli darbojas pievilkšanās spēks.

Ņūtona ģenialitāte izpaudās tādējādi, ka viņš izprata gravitāciju kā pievilkšanās spēku. Atšķirībā no viņa sengrieķu filosofs Aristotelis uzskatīja, ka akmens krīt zemē nevis ārēja pievilkšanas spēka dēļ, bet gan tāpēc, ka tiecas atgriezties savā dabiskajā izejas punktā. Pēc Aristoteļa domām, Visums ir sadalīts divās sfērās - Zemes un debesu sfērā. Zemes sfēra plešas no pilnīgi apaļās, nekustīgās zemeslodes Visuma centrā līdz Mēnesim, kas atrodas uz sfēriskas čaulas. Savukārt debesu sfēra aizņem visu atlikušo attālumu no Mēness sfēras čaulas līdz pat debesu telpas robežai.

Ikviens ķermenis tiecas uz vietu, kur ir tā dabiskais izejas punkts. Piemēram, liesmas kāpj augšup, jo tās tiecas uz uguns dabisko atrašanās vietu zem Mēness sfēras čaulas. Savukārt akmens krīt lejup, jo tas virzās uz Zemes centru.

Aristoteļa teorija tika uzskatīta par pareizu aptuveni līdz 1600. gadam, kad itāļu zinātnieks Galileo Galilejs veica virkni eksperimentu ar brīvi krītošiem priekšmetiem. Viņš secināja, ka vakuumā visi ķermeņi krīt vienlīdz ātri un to paātrinājums ir konstante g, kas aptuveni vienāda ar 9,8 m/s². Galileo Galileja atklājumi kalpoja par vienu no stūrakmeņiem, kad pēc pusgadsimta Ņūtons formulēja savu gravitācijas likumu. 

Likums darbojas visur Visumā

Kad Ņūtons 1687. gadā publicēja savu teoriju, viņš apgalvoja, ka tā ir mācība par universālu gravitācijas likumu - par spīti tam, ka teorija balstījās tikai uz Mēness un planētu novērojumiem. Tomēr angļu zinātnieks bija pārliecināts, ka šis likums attiecināms uz visu Visumu. “Tās ķermeņu īpašības, kuras nedz pastiprinās, nedz pavājinās un kuras piemīt visiem ķermeņiem mūsu pieredzes sfērā, ir uzskatāmas par pilnīgi visiem ķermeņiem piemītošām,” viņš sacīja.

Daudziem cilvēkiem šī hipotēze šķita ārkārtīgi pretrunīgi vērtējama. Viņi uzskatīja, ka Ņūtons ar savu izteikumu ievieš fizikā ko līdzīgu pārdabiskam spēkam. Atbildot uz to, Ņūtons norādīja uz daudzajām parādībām, ko iespējams izskaidrot ar gravitācijas spēku. Turpmākajos gadu simteņos izrādījās, ka Ņūtona teorija patiesi ir universāla. 

Telpa apliecas ap ķermeņiem

Kaut gan Ņūtona likums bija universāls, tas tomēr nebija pilnīgs. Likums precīzi nedarbojas situācijās, kad gravitācijas spēks ir ļoti spēcīgs vai kad ķermeņu ātrums tuvojas gaismas ātrumam, kas ir 300 000 kilometru sekundē. Turklāt 19. gadsimta vidū franču astronoms Irbēns Leverjē bija novērojis neregularitāti Saulei vistuvākās planētas Merkura orbītā, kura mazliet atšķīrās no Ņūtona teorijas prognozētās orbītas.

Merkura novirzi 1915. gadā izskaidroja Alberts Einšteins ar savu vispārīgo relativitātes teoriju, piedāvājot Ņūtona teorijas korekciju, kura novērojama stipros gravitācijas laukos. Saskaņā ar vispārīgo relativitātes teoriju gravitācija ir nevis spēks, kā to uzskatīja Ņūtons, bet gan kosmosam piemītoša īpatnība. Relativitātes teorija apgalvo, ka masīvi ķermeņi, piemēram, planētas, izliec laiktelpu ap sevi. Laiktelpa ir trīsdimensiju telpa apvienojumā ar laiku. Lai izprastu šo principu, var iztēloties nostieptu gumijas palagu. Kad pār palagu ripo lode, tā kustas taisnā līnijā. Taču, ja uz palaga jau ir viena lode, kas spiež to uz leju, pirmā lode kustoties tuvojas iedobumam un tad ripo no tā laukā, bet citā virzienā. No malas izskatās, ka abas lodes ir savstarpēji pievilkušās. Taču patiesībā gravitācija ir radusies no tā, ka telpa un laiks ap šīm lodēm ir bijuši izliekti.

Saskaņā ar Einšteina teoriju Saules sistēmā Saule pati par sevi nepievelk planētas, bet tās seko laiktelpas izliekumam, kas eksistē apkārt Saulei. Šī teorija ir pārbaudīta praksē ar satelītu “Gravity Probe B”, kas mēra laiktelpas izliekumu apkārt zemeslodei. “Gravity Probe B” iegūto datu analīze varētu būt pabeigta tikai 2010. gadā, bet pagaidu rezultāti liek domāt, ka Einšteinam bijusi taisnība. Tādējādi būtu pierādīts, ka Einšteins uzlabojis Ņūtona modeli, lai tas būtu spēkā arī ļoti stipros gravitācijas laukos.

Toties Einšteins lieliski apzinājās, ka viņa teorija nedarbojas situācijās ar ļoti niecīgiem Visuma ķermeņiem, kuru gravitācijas lauki ir vāji. Visticamāk, tam ir vajadzīga vēl viena modifikācija. Nepieciešamību veikt korekcijas vienādojumos apstiprina tas, ka vairāki zinātnieki pēdējos gadu desmitos kosmosā novērojuši objektus, kas gravitācijas spēka ietekmē uzvedas savādi.

Pirmo reizi zinātnieki ar šo parādību saskārās 70. gados, kad Džons D. Andersons no ASV kosmonautikas aģentūras NASA Reaktīvo dzinēju pētniecības laboratorijas Kalifornijā sāka analizēt kosmosa zonžu “Pioneer 10” un “Pioneer 11” orbītas. Zondes, kurām bija paredzēts izpētīt Saules sistēmas ārējo daļu, pārvietojās lēnāk, nekā vajadzētu. Šķita, it kā kāds turētu zondes pavadā, vienlaikus bremzējot tās.

Novēroto grūti izskaidrojamo parādību nesen papildināja rezultāti, kas gūti virknē pētījumu par citām kosmiskajām zondēm, kuras savā ceļā lido garām Zemei. Pilnīgi normāli ir tas, ka kosmiskās zondes lido garām Zemei, lai izmantotu gravitācijas spēku lidojuma ātruma mainīšanai. Tomēr izrādījās, ka piecos no sešiem gadījumiem to ātrums palielinājās mazliet vairāk, nekā paredzēts. Ātrums nemainījās vienīgi zondei “Messenger”, bet tas, visticamāk, skaidrojams ar faktu, ka tā vienīgā lidoja garām Zemei līkumā, kas atradās gandrīz simetriski apkārt ekvatoram. Turpretī mērījumi atklāja, ka, piemēram, zondei NEAR ātrums palielinās par 13 milimetriem sekundē, salīdzinot ar agrākajiem aprēķiniem. Kaut gan šis palielinājums ir tikai miljonā daļa no zondes kopējā ātruma, nav ne mazāko šaubu, ka efekts ir reāls, jo mērījumi veikti ar precizitāti 0,1 milimetrs sekundē.

Iegūtie rezultāti ir pārsteiguši zinātniekus. Kas gan liek kosmiskajām zondēm “Pioneer 10” un “Pioneer 11” piebremzēt, lidojot laukā no Saules sistēmas, un kāpēc zondes palielina savu ātrumu citā gadījumā? Iespējamie skaidrojumi ir vairāki, tomēr šīs parādības vedina domāt arī par korekcijām gravitācijas likumā. 

Vajadzēja ieviest tumšo matēriju

Arī vairāki novērojumi citās Visuma vietās rada jautājumus par gravitācijas spēka darbību. Jau kopš 20. gadsimta 70. gadiem pētnieki zina, ka galaktiku ārējās daļas neuzvedas tā, kā to paredz gravitācijas likums. Saskaņā ar Ņūtona dinamiku zvaigznēm galaktikā būtu jāriņķo pa elipsveida orbītām un, tām attālinoties no centra, būtu jāsamazinās ātrumam. Tomēr tā nenotiek. Zvaigžņu ātrums nesamazinās - tas ir konstants lielākajā daļā galaktikas. Izplatītākais skaidrojums pašlaik ir tāds, ka galaktikas satur nezināmu vielu, dēvētu par tumšo matēriju, kas ar savu gravitācijas spēku ietekmē zvaigznes. Tomēr tas pagaidām ir tikai teorētisks modelis, lai panāktu zvaigžņu uzvedības atbilstību gravitācijas likumam. Tumšās matērijas eksistenci vēl nav bijis iespējams nedz apstiprināt, nedz atspēkot, jo, izņemot masu, tai nepiemīt konkrētas fizikālas īpašības. Tādēļ nevar izslēgt iespēju, ka novērojamās parādības skaidrojamas citādi.

Viens no pirmajiem mēģinājumiem radīt alternatīvu tumšajai matērijai notika 1983. gadā, kad fiziķis Mordehajs Milgroms no Veicmaņa Zinātnes institūta Izraēlā iepazīstināja ar modificētu Ņūtona dinamikas versiju, kas spēj izskaidrot zvaigžņu uzvedību galaktikās. Milgroms nāca klajā ar apgalvojumu, ka Ņūtona teorija nedarbojas precīzi apgabalos, kur ir zems vielas blīvums, proti, galaktiku ārējās zonās. Izraēlas zinātnieks koriģēja vienādojumus tā, ka minētajos apgabalos gravitācijas lauks kļuva spēcīgāks. Jauno teoriju sauc par MOND (modificētā Ņūtona dinamika), un tā izskaidro zvaigžņu kustību galaktiku ārējos apgabalos bez tumšās matērijas esamības.

2004. gadā Milgroma kolēģis Jakobs Bekenšteins izstrādāja teoriju, kas turpināja ne vien Ņūtona klasisko teoriju, bet arī Einšteina vispārīgo relativitātes teoriju. Jaunās teorijas nosaukums ir TeVeS, kas ir saīsinājums no “tenzors-vektors-skalārs”. Tenzora komponents ir atvedināms no Einšteina relativitātes teorijas, un tas ir matemātisks lielums, kas nosaka telpas un laika ģeometriju. Vektors gādā par to, lai matērija un starojums tiktu dinamiski saistīti. Skalārs nosaka gravitācijas spēku dažādās kosmosa vietās. Šo trīs elementu klātbūtne nodrošina to, ka TeVeS ietver gan Ņūtona gravitāciju, gan vispārīgo relativitātes teoriju, gan MOND.

Jauno teoriju pagaidām ir pārbaudījuši Oksfordas universitātes zinātnieki Konstantīns Skordis un Pedro Fereira. Viņi aprēķinājuši, ka arī TeVeS ļauj iztikt bez tumšās matērijas. Tiesa gan, tas tāpat ir tikai teorētisks gravitācijas spēka noslēpuma atrisinājums, kas būs jāpārbauda novērojumos. 

Iespējams, spēku nes daļiņa

Arī kvantu fiziķi cenšas uzlabot gravitācijas likumu. Kvantu mehānika ir fizikas apakšnozare, kas pēta dažādu mikrodaļiņu uzvedību atomārā un subatomārā līmenī.

Kvantu teorētiķi izvirza hipotēzi, ka gravitācijas spēks tiek pārnests daļiņu - tā dēvēto gravitonu - apmaiņas ceļā. To, ka šis princips ir spēkā trim pārējiem dabas fundamentālajiem spēkiem, pētnieki jau zina. Piemēram, elektromagnētisko spēku, kas nodrošina pievilkšanos vai atgrūšanos starp lādētām daļiņām, pārnes fotoni, savukārt kvarkus atoma kodolā kopā “salipina” gluoni.

Problēma ir tā, ka fiziķi nekad nav novērojuši daļiņu, kas pārnes gravitācijas spēku. Kad ābols nokrīt zemē, ābola atomi un zemeslodes atomiem būtu jāapmainās ar gravitoniem - tā vēsta kvantu teorija. Tomēr šie gravitoni pastāvētu tik īsu brīdi, ka būtu pilnīgi neiespējami tos reģistrēt.

Un, pat ja mēs pieņemtu gravitonu eksistenci, to uztveršana droši vien būtu problemātiska. Ja ticam pavisam jaunai kvantu fizikas teorijai, gravitoni nemaz nav redzami mūsu trīsdimensiju pasaulē. Tie gluži vienkārši izgaist citās Visuma dimensijās. Vienīgais to atstātais nospiedums varētu būt enerģija, kas aizplūst projām no mūsu pasaules, taču šāda parādība vēl nekad nav novērota. Tāpēc nav nekādu šaubu, ka pēdējā nodaļa gravitācijas spēka izpētes vēsturē vēl nav uzrakstīta.