| Ali ima gravitacija neskončno hitrost ali ne? Kakšno pa ima, če nima neskončne? Kako kvantna mehanika pojasnjuje gravitacijo? |
Isto vprašanje so si zastavljali že Newton in njegovi sodobniki. Ko je Newton odkril gravitacijski zakon, je s tem povzročil pravi prevrat v tedanji znanosti. V svojo teorijo je namreč uvedel pojem “delovanje sile na daljavo”. To pomeni, da dve telesi čutita medsebojno silo, ne da bi se dotikali, oz. ne da bi to silo prenašalo neko mehansko sredstvo. Podobno vprašanje se je pojavilo tudi ob koncu 19. stoletja: kako lahko nabita telesa vplivajo druga na drugo skozi prazen prostor? Poglejmo, kakšen je odgovor moderne fizike na ta vprašanja.
Kar je Newton imenoval delovanje sile na daljavo, v moderni fiziki imenujemo gravitacijsko polje. Namesto da bi se ubadali z vprašanjem, kako lahko telesi medsebojno vplivata na daljavo, razmišljamo nekoliko drugače. Oglejmo si primer Zemlje in Sonca. Newton bi rekel, da Sonce privlači Zemljo s silo teže (seveda Zemlja z enako silo privlači Sonce – 3. Newtonov zakon). Današnji fiziki smo bolj zviti. Rečemo, da je Sonce izvir gravitacijskega polja (to pomeni, da Sonce “povzroča” gravitacijsko polje), ki sega po celem vesolju (seveda pada z razdaljo od Sonca in je daleč stran zanemarljivo). Na Zemljo pa vpliva to gravitacijsko polje na mestu, kjer se trenutno nahaja. Torej Sonce ne vpliva na Zemljo neposredno in od daleč, ampak na Zemljo deluje lokalno gravitacijsko polje Sonca.
Na prvi pogled smo uvedli le nov besednjak. Namesto neposrednega delovanja sile na daljavo smo vpeljali nek abstrakten matematičen pojem (polje). V preprostih primerih je res tako. Vendar se z vpeljavo polja spremeni naš pogled na pojave tudi kvalitativno. Kako? Če Zemlja čuti zgolj gravitacijsko polje Sonca, se sedaj lahko vprašamo, kako hitro se gravitacijsko polje širi skozi prostor? Če bi Sonce nenadoma spremenilo svojo lego, ali bi na Zemlji to opazili takoj, ali šele s časovnim zamikom?
Ker je svetlobna hitrost največja možna hitrost, velja, da se tudi gravitacijsko polje lahko širi kvečjemu s svetlobno hitrostjo. Če bi Sonce naenkrat izginilo, bi to vplivalo na gibanje Zemlje šele čez 8 minut ali več. V človeškem merilu je 8 minut kar dolga doba (še posebej na zobozdravniškem stolu). Po drugi strani pa se nam ponuja še nova primerjava. Zemlja npr. kroži okoli Sonca s hitrostjo približno 30 km/s, kar je veliko v vsakdanjih okoliščinah, a v primerjavi s svetlobno hitrostjo (300.000 km/s) izredno počasi. Za razdaljo Zemlja-Sonce bi s to hitrostjo še vedno potrebovali približno dva meseca. V nekoliko bolj zemeljskem merilu je to podobno pešcu (5 km/h), ki lovi polža (približno 1 cm/min). Če privzamemo, da je širjenje gravitacijskega polja enako svetlobni hitrosti, lahko za obravnavo gibanja planetov okoli Sonca v dovolj dobrem približku rečemo, da je hitrost širjenja gravitacijskega polja neskončna in da telesa čutijo gravitacijsko silo brez zakasnitev. Poudarjam, da je to le PRIBLIŽNO res, dokler so hitrosti teles mnogo manjše od svetlobne hitrosti. Približek je še vedno tako dober, da so lahko odkrili planet Uran na podlagi motenj v gibanju Neptuna.
Ker približek trenutne interakcije deluje tako dobro, je to znak, da je hitrost razširjanja gravitacijskega polja res zelo velika. Ali je enaka svetlobni ali manjša? Zelo preprost MODEL (Z besedo model ponavadi želimo poudariti, da si izberemo neke predpostavke, ki so bolj ali manj natančne ali pravilne in iz njih izpeljemo zaključke) napove, da dobimo krajevno odvisnost polja oblike 1/r2 v primeru, ko se polje širi s svetlobno hitrostjo. To zares velja za električno polje in zato sklepamo, da isto velja tudi za gravitacijsko polje. Dosledna izpeljava s splošno teorijo relativnosti zares napove, da se gravitacijsko polje širi s svetlobno hitrostjo.
Kako je s polji v kvantni mehaniki? Kvantna mehanika nas uči, da lahko polje predstavimo tudi kot sistem delcev, ki posredujejo interakcijo. Najbolj znan je primer električnega polja. V kvantni mehaniki električno polje opišemo kot sistem fotonov. Model, ki sem ga omenil zgoraj napove, da ima polje, kjer so delci polja brezmasni, neskončen doseg in da velikost polja pada kot 1/r2. V električnem polju so delci, ki posredujejo interakcijo brezmasni fotoni in električno polje ima zares neskončen doseg ter pada kot 1/r2. Ker so fotoni brezmasni, se gibljejo s svetlobno hitrostjo – zato se tudi električno polje širi s svetlobno hitrostjo. Če imajo delci polja maso različno od nič, model napove, da je doseg polja krajši in da pojema dosti hitreje. Ker ima gravitacijsko polje enako krajevno odvisnost kot električno, sklepamo, da so delci, ki posredujejo gravitacijsko polje (gravitoni) prav tako brez mase in da se gibljejo s svetlobno hitrostjo. Zato se tudi gravitacijsko polje širi s svetlobno hitrostjo.
Žal ne vem kakšno je trenutno stanje na področju kvantne teorije gravitacije. Kakršnakoli teorija bi bila najbrž tudi precej težko preverljiva, saj so efekti gravitacije v kvantnem svetu zelo majhni. Vse meritve na področju fizike osnovnih delcev se zelo dobro ujemajo s teorijo, v kateri gravitacijo popolnoma zanemarimo. To navsezadnje ni presenetljivo, če se zavedamo, da je razmerje med električno in gravitacijsko silo med dvema elektronoma kar 1032:1 v korist električne sile.
Glej še
