POZNAĆ WSZECHŚWIAT - ZAKRZYWIENIE CZASOPRZESTRZENI
 
 
    Czas czy przestrzeń wydają nam się  bardzo sztywnymi, uniwersalnymi wielkościami, które wszędzie są takie same. Wydaje się, że w każdym miejscu naszego Wszechświata czas powinien upływać tak samo, a wszelkie obiekty powinny mieć tą samą miarę niezależnie od miejsca w Kosmosie. Do tego czas i przestrzeń rozpatrujemy w całkiem innych kategoriach, trudno pomyśleć, aby miały ze sobą coś fizycznie wspólnego. W "Poznać Wszechświat - Czas na Einsteina" opisałem dokonania Alberta Einsteina, które podważyły powyższe przekonania. Szczególna teoria względności (sprawdzona w wielu doświadczeniach) wykazała, że przestrzeń i czas są względne, co oznacza, że nie wszędzie takie same. Mało tego, tworzą jeden czterowymiarowy twór (trzy wymiary przestrzenne i jeden wymiar czasowy) - czasoprzestrzeń. Wszelkie względne zmiany przestrzeni powodują względne zmiany czasu i odwrotnie. Innymi słowy, jeśli w którymś miejscu czas z jakiś powodów płynie w innym tempie, to i przestrzeń będzie w tym miejscu zniekształcona. Zniekształcona? O co chodzi? - Już, moment.
    Otóż zanim dojdziemy do zniekształcenia, czy raczej zakrzywienia czasoprzestrzeni, powróćmy do rozważań nad grawitacją.  Jak wiemy, pewien geniusz, doskonały matematyk i fizyk Izaak Newton (ur. w 1642 r. w Anglii) odkrył prawo powszechnego ciążenia. Sformułował równania, które ilościowo określają wielkość siły między dwoma  ciałami. Prawo to znalazło zastosowanie w przewidywaniu ruchu planet wokół Słońca, Księżyca wokół Ziemi, rakiet wyruszających w przestrzeń kosmiczną, ruchu kopniętej piłki w powietrzu, czy lotu skoczka narciarskiego. Sukces teorii Newtona jest wielki, a przydatność opisanych przez niego równań jest ogromna. Jednak opis grawitacji tego naprawdę wspaniałego naukowca był niekompletny (z czego Newton zdawał sobie sprawę). Opis ten nie tłumaczył, czym jest grawitacja. Jak to się dzieje, że dwa ciała, fizycznie od siebie oddzielone, znajdujące się w odległości wielu milionów kilometrów, wpływają wzajemnie na swój ruch? Czym jest owa siła przyciągająca i dlaczego istnieje?
    Minęło sporo czasu zanim inny geniusz, znany nam wszystkim Albert Einstein, stworzył ogólną teorię względności wyjaśniającą ową zagadkę. Teoria ta nie tylko zapełniła lukę w teorii Newtona, ale całkowicie zmieniła dotychczasowy pogląd na grawitację. Została stworzona nowa teoria grawitacji, która dokładnie opisuje owe zjawisko, która odkrywa część tajemnicy działania naszego Wszechswiata. To czym jest ta grawitacja?
    Einstein zauważył, że ruch przyśpieszony symuluje efekt siły grawitacyjnej. Przyśpieszając samochodem czujemy, jak jakaś siła wgniata nas w fotel. Podobnie w przyśpieszającej windzie (jadącej do góry) czujemy zwiększający nacisk podłogi na stopy. Zupełnie, jakby siła grawitacji uległa zwiększeniu. Wyobraźmy sobie statek kosmiczny, który leci stałą prędkością w przestrzeni kosmicznej. W środku takiego statku panuje stan bezwładności - nie ma żadnego przyciągania. W takim stanie, unosząc się swobodnie, pojęcie góry, czy dołu byłoby absolutnie względne. W przypadku odwrócenia się o 180 stopni wcale nie odczuwalibyśmy, że jesteśmy głową w dół, ponieważ dół czy górę nie wyznaczałaby żadna siła przyciągania. Ale w momencie, kiedy nasz statek przyspieszyłby , wówczas odczulibyśmy, że spadamy na ścianę zwróconą w stronę kierunku przyśpieszenia naszego statku. To tak, jakby ktoś włączył grawitację działająca akurat na tej stronie statku. Gdyby przyśpieszenie przez jakiś czas było stałe i równałoby się przyśpieszeniu grawitacyjnemu Ziemi, moglibyśmy stanąć na owej ścianie i przejść się tak samo, jak po powierzchni naszej planety. W ten sposób stworzyliśmy "sztuczną grawitację". Jak widać prawa natury w przyspieszającym układzie są równoważne prawom w polu grawitacyjnym. To proste stwierdzenie Einsteina zwane jest zasadą równoważności. (zagadka: Wyobraźmy sobie następującą sytuację: Jedziemy szybko samochodem i trzymamy na sznurku balon wypełniony helem, nagle samochód  skręca ostro w lewo. W którą stronę poruszy się balon? Odpowiedź jest na końcu artykułu)
    Przypomnę, że obiekt przyspiesza, jeśli zmienia się albo szybkość, albo kierunek jego ruchu. Czyli ruch przyśpieszony może być wówczas, kiedy kierunek ruchu obiektu ulega zmianie, natomiast jego szybkość pozostaje stała, np. ruch po okręgu. Gdybyśmy kręcili się na kole, jak na karuzeli, czulibyśmy odpychanie radialne od środka obrotu. Gdyby to koło było ograniczone ścianą biegnącą po obwodzie i kręciło się dość szybko, wpadlibyśmy na ową ścianę i zostalibyśmy do niej przyciśnięci. Wyobraźmy sobie teraz, że nasze kręcące się koło znajduje się gdzieś w przestrzeni kosmicznej. Przy odpowiedniej prędkości wirowania można byłoby uzyskać dokładnie taką samą siłę przyśpieszenia odśrodkowego, jak przyspieszenie przyciągania ziemskiego. Wówczas przyciśnięci do ściany czulibyśmy się dokładnie tak samo jak byśmy położyli się teraz na podłodze w naszym pokoju. Moglibyśmy też wstać i przejść się po tej ścianie zataczając pełne koło po obwodzie tak, jakbyśmy przechodzili się po podłodze u nas w pokoju. W rzeczywistości stacje kosmiczne projektuje się w taki sposób, aby obracając się, wytwarzały "sztuczną grawitację". Ale czym jest ta grawitacja i co z tym wszystkim ma wspólnego czasoprzestrzeń? Już, moment.
    Pamiętamy zmieniające się właściwości czasu i przestrzeni obiektów będących względem nas w ruchu (patrz: Poznać Wszechświat - Czas na Einsteina). Na kręcącym się kole czas będzie różny w zależności od tego, w jakiej odległości będzie od środka koła mierzony. Na obwodzie prędkość będzie najszybsza, a więc czas będzie tu najwolniej upływał. Do tego gdybyśmy chcieli zmierzyć linijką obwód kręcącego się koła i porównali wynik ze zmierzenia promienia pomnożonego przez 2pi otrzymamy różne wartości (zmierzony obwód bezpośrednio linijką będzie większy od obwodu wyliczonego ze wzoru na podstawie zmierzonego przez nas promienia). Czyli 2 pi r tego koła nie jest równa jego obwodowi. Czy jest to możliwe? Przecież wynik tych obliczeń przeczy stosowanej od starożytności geometrii euklidesowej. A jednak jest możliwa sytuacja, w której 2pi r nie jest równa obwodowi koła, w której suma kątów trójkąta będzie różna od 180 stopni, gdzie dwie linie równoległe będą się przecinać. Jak to możliwe? Zapewne wielu z was zna odpowiedź. Wystarczy narysować dane figury geometryczne na zakrzywionej powierzchni. Np. na powierzchni kuli - narysowane na niej koło będzie miało mniejszy obwód niż wskaże wynik ze wzoru geometrii euklidesowej (2 pi r), suma kątów w trójkącie będzie większa od 180 stopni, a dwie rysowane linie równoległe będą się przecinać. Po prostu geometria euklidesowa odnosi się do płaskich powierzchni, na powierzchniach zakrzywionych ta geometria nie sprawdza się. Jaki z tego wniosek? W przypadku naszego kręcącego się koła mieliśmy dlatego różne wartości obwodu jak i czasu ponieważ doszło do zakrzywienia czasoprzestrzeni (oczywiście przy zwyczajnie kręcącym się kole efekt zakrzywienia czasoprzestrzeni będzie tak mały, że w ogóle nie zauważalny, musiałaby być bardzo duża prędkość wirowania, gdzie przyspieszenie odśrodkowe byłoby dość znaczne). Biorąc pod uwagę, że grawitacji i ruchu przyśpieszonego nie da się rozróżnić, a także - że ruch przyspieszony ma związek z zakrzywieniem czasoprzestrzeni Einstein doszedł do wniosku, że grawitacja to nic innego, jak zakrzywienie czasoprzestrzeni.
    Aby lepiej to sobie uzmysłowić wyobraźmy sobie, że czasoprzestrzeń jest naciągniętym płótnem. Gdy położymy na nią kulę, płótno ugnie się w tym miejscu. Zależnie od masywności kuli powstanie odpowiednio głęboki lej. Analogicznie jest z ugięciem czasoprzestrzeni przez jakiś obiekt np. Słońce. Podobnie, jak kula zakrzywia płótno, tak Słońce zakrzywia czasoprzestrzeń. Gdy jakiś mniejszy i lżejszy obiekt znajdzie się na stworzonej przez kulę dołku zacznie staczać się w stronę kuli, ale gdyby poruszał się z pewną, stałą prędkością po krzywiźnie stworzonego lejka wokół kuli, pozostawałby w takiej samej odległości od niej, ponieważ prędkość odśrodkowa uniemożliwiałaby stoczenie się danego obiektu na kulę, a ugięcie naszego płótna nie pozwoliłoby na odrzucenie tego obiektu poza swój tor ruchu. Podobnie jest z kręcącą się Ziemią wokół Słońca. Słońce "trzyma" Ziemię i inne planety po przez zakrzywienie przestrzeni. Ziemia nie wypada z orbity wokół Słońca, ani nie wpada na nie, ponieważ toczy się po zakrzywionej strukturze przestrzeni. Oto czym jest grawitacja. Każdy obiekt o jakiejś masie zakrzywia czasoprzestrzeń, a im bardziej jest masywny, tym większe zakrzywienie powoduje (tym większa jest jego grawitacja). Nasz przykład z płótnem, chociaż dość obrazowy, nie jest jednak najlepszy. Trzeba pamiętać, że za kawałkiem dwuwymiarowego płótna kryje się trójwymiarowa przestrzeń i to łącznie z czasem. Zobrazujmy chociażby samą przestrzeń. Jeśli widzimy (oczywiście w pamięci) kulę zakrzywiającą płaszczyznę (jak kula położona na naciągniętym płótnie), to poprowadźmy drugą płaszczyznę prostopadłą do tej, przecinającą ową kulę. Ta druga płaszczyzna tak samo zostanie zakrzywiona przez naszą kulę - widzimy to? Każda płaszczyzna jaką przeprowadzimy pod dowolnym kątem do tej pierwszej płaszczyzny przecinając kulę, zostanie tak samo zakrzywiona. Tu z pewnością nasza wyobraźnia zostaje poddana wielkiej próbie, ponieważ dochodzi do tego, aby wyobrazić sobie zakrzywienie naszej trójwymiarowej przestrzeni, w której żyjemy. Jest to oczywiście niemożliwe, nie możemy sobie tego wyobrazić, ponieważ sami myślimy najwyżej w trzech wymiarach przestrzennych, a tu musielibyśmy wprowadzić czwarty wymiar przestrzeni, aby zobrazować ugięcie trójwymiarowej przestrzeni. Podobnie jak dwuwymiarowa kartka (pomijając jej grubość) potrzebuje trzeciego wymiaru (góry lub dołu) aby ją zakrzywić.
    Nowy obraz grawitacji Einsteina zawarty w swojej ogólnej teorii względności został sprawdzony doświadczalnie. Światło gwiazdy znajdującej się za tarczą Słońca biegnie po krzywiźnie przestrzeni jaką tworzy Słońce, dzięki czemu można ową gwiazdę zobaczyć. Pierwsze tego typu doświadczenie wykonano już w 1919 r. (w 1915 r. ogólna teoria względności została oficjalnie ogłoszona) podczas zaćmienia Słońca przy pomocy precyzyjnych (jak na owe czasy) fotografii. Einstein po raz kolejny dał dowód swojemu wielkiemu geniuszu. Oczywiście łącznie z przestrzenią Słońce zakrzywia się też czas. Im bliżej Słońca, tym czas będzie wolniej płynął. Jednak te różnice czasowe są tak małe, że mogą je wykryć dopiero zegary atomowe (co też dla sprawdzenia zostało zrobione).
    Ogólna teoria względności zaczyna mieć znaczenie w przypadku obiektów bardzo masywnych oraz odpowiednio dużych zakrzywień czasoprzestrzeni. Najbardziej zakrzywiającym czasoprzestrzeń obiektem jakiego znamy jest czarna dziura - ostatnie stadium niektórych gwiazd. Czarna dziura zakrzywia tak bardzo czasoprzestrzeń, że wszystko co wpadnie w jej "sidła" nie jest w stanie się uwolnić, nawet światło. Ale o czarnych dziurach będzie w innej części "Poznać Wszechświat".
 
    Odpowiedź na zagadkę: Podczas owego skrętu samochodem nasze ciała zostaną odrzucone w prawą stronę, natomiast balon poruszy się w lewą stronę. Dlaczego? Otóż przyspieszenie odśrodkowe zadziała dokładnie tak samo, jakby została włączona grawitacja na prawą stronę samochodu, więc balon przemieści się w przeciwnym kierunku do działania siły grawitacji. Czyż nie tak działają balony wypełnione helem czy innym lekkim gazem? Wszystko zgodnie z zasadą równoważności (nie wierzysz? - sprawdź).
 
JakBym
 
JakBym@poczta.onet.pl