Każdy z nas wie, czym jest grawitacja. To ona sprawia, że stoimy na ziemi, a coś rzuconego w górę najczęściej spada. Dzięki grawitacji Ziemia obiega Słońce i to ona spaja gwiazdy tworzące naszą Galaktykę. To z powodu grawitacji samoloty czy rakiety muszą mieć silniki, a osoby skaczące z dużej wysokości – spadochrony. I to grawitacja do dziś jest jedną z największych zagadek fizyki.

Grawitacja – oddziaływanie fizyczne

Według fizyki grawitacja jest jednym z podstawowych oddziaływań, jakim podlega materia tworząca nasz Wszechświat. Pozostałe oddziaływania to:

  • oddziaływanie elektromagnetyczne, które odpowiada m.in. za reakcje chemiczne elektryczność, magnetyzm, światło i fale radiowe;
  • oddziaływanie słabe, odpowiedzialne za rozpad radioaktywny pierwiastków;
  • oddziaływanie silne, odpowiedzialne za spoistość jąder atomowych.

Wymienione wyżej oddziaływania są dobrze opisane przez współczesną fizykę kwantową. Każde z nich ma też swój nośnik, czyli cząstkę elementarną. Np. w przypadku oddziaływania elektromagnetycznego nośnikiem jest foton, a silnego – gluon.

Fizyka kwantowa na razie nie jest jednak w stanie opisać poprawnie grawitacji. Możliwe, że istnieje cząstka elementarna będąca nośnikiem grawitacji – grawiton. Jednak na razie nikomu nie udało się potwierdzić jej istnienia.

Grawitacja – zakrzywienie czasoprzestrzeni

Z punktu widzenia fizyki grawitacja to kształt czasoprzestrzeni, czyli wszystkiego, co nas otacza. Łatwiej będzie to zrozumieć, gdy użyjemy porównania. Zamiast mówić o czterowymiarowej czasoprzestrzeni (trzy wymiary przestrzenne plus czas), wyobraźmy sobie dwuwymiarową płaszczyznę, np. naciągniętą gumową membranę. Jeśli położymy na niej ciężką kulę, powierzchnia się ugnie i mniejsze kulki znajdujące się w pobliżu zostaną „przyciągnięte” do większej. To samo dzieje się we Wszechświecie. Tyle, że dzieje się to w czterech wymiarach. Membraną jest czasoprzestrzeń, a jej odkształcenie to grawitacja.

Ogólna teoria względności opracowana przez Alberta Einsteina zakłada, że każda masa prowadzi do zakrzywienia czasoprzestrzeni. Powoduje w niej „wgłębienie” – rozciągając i trójwymiarową przestrzeń, i czas, który jest czwartym wymiarem. To dlatego w pobliżu masywnych obiektów, takich jak czarne dziury, czas płynie wolniej, a światło zmienia kierunek swojego biegu.

Grawitacja – czarne dziury

Czarne dziury powstają, kiedy umiera masywna gwiazda. Typowy sposób powstawania takich obiektów to supernowa. To eksplozja kończąca życie masywnej gwiazdy, po której zostaje bardzo gęste jądro. Jego grawitacja ściska je tak, że zapada się ono, tworząc czarną dziurę.

Jej oddziaływanie grawitacyjne jest tak ekstremalnie silne, że działa jak gigantyczna kosmiczna pułapka. Jeśli jakiś obiekt przekroczy tzw. horyzont zdarzeń czarnej dziury, zostaje na zawsze uwięziony przez jej grawitację. Dotyczy to nawet promieniowania elektromagnetycznego, a więc np. światła.

Światło przechodzące w pobliżu czarnej dziury zmienia swój kierunek pod wpływem jej grawitacji. To zjawisko nazywamy soczewkowaniem grawitacyjnym.

Grawitacja – fale grawitacyjne

Fale grawitacyjne to przemieszczające się z prędkością światła odkształcenia czasoprzestrzeni – swoiste zmarszczki na strukturze Wszechświata. Chociaż ich istnienie wynika bezpośrednio z opublikowanej w 1916 r. ogólnej teorii względności, to potwierdzenie za pomocą pomiarów udało się dopiero w 2015 r.

Dokonały tego detektory fal grawitacyjnych LIGO. Zarejestrowały wówczas sygnał GW150914, będący wynikiem połączenia się dwóch czarnych dziur o masie 29 i 36 Słońc. Do tego zdarzenia doszło około miliarda lat temu. Był to też pierwszy bezpośredni dowód naukowy na istnienie czarnej dziury.

Gdy fala grawitacyjna przechodzi przez człowieka, dochodzi do jego miarowego kurczenia się i rozkurczania, choć są to zmiany w niezwykle małej skali. Podobnie taka fala działa na każdy inny obiekt w czasoprzestrzeni, w tym na Ziemię.

Grawitacja – ciemna energia

Grawitacja przyciąga do siebie masywne obiekty – planety do gwiazd, gwiazdy do galaktyk itd.  W ten sposób spowalnia rozszerzanie się Wszechświata zapoczątkowane przez Wielki Wybuch. Jednak zdaniem kosmologów istnieje też siła działająca przeciwnie.

To tzw. ciemna energia. Zgodnie z obliczeniami ma ona stanowić aż dwie trzecie całego Wszechświata (liczonego jako suma masy i energii). Ok. 5 mld lat temu ciemna energia miała zyskać przewagę nad grawitacją. Od tamtej pory to ona kontroluje Wszechświat, nieustannie go rozszerzając.