Gravitace není síla? Jak tajemné! Nebo nesmysl?

Tvrzení, že gravitace není síla, se opírá o Newtonovu definici síly. Podle ní je síla to, co způsobuje zrychlení tělesa s hmotností, vzorcem tedy síla F = m.a. Podíváme se, jestli  máme brát tuto 340 let starou definici vážně.

V onom vzorci F = m.a je F síla, m hmotnost tělesa a a je jeho zrychlení, když třeba do něj strčíme rukou silou F. To je klasický výklad dnes už snad ze základní školy.

Zmíněné pojetí síly milý Issac publikoval v roce 1686, tedy před 337 lety. Že je tato definice stará, ještě nemusí znamenat, že je špatná. První znejistění ale je, že je tato definice součástí, ba jedním ze základů celé Newtonovy fyziky. A ta byla částečně ale značně popřena a překonána v roce 1905 speciální teorií relativity a v roce 1915 obecnou teorií relativity, tedy současnou teorií gravitace. A totéž s ní udělala v jiném směru kvantová mechanika a později kvantová teorie pole. Ta poslední bude dále zásadní.

Myšlenka, že gravitace není síla nepochází podle všeho od Alberta Einsteina, jak se často traduje. Ale obecná teorie relativity (dále jen OTR) může k ní inspirovat, ale jen ve spojení s Newtonovou definicí síly, což je zvláštní skloubení. Z OTR totiž vyplývá, že gravitace je síla zvláštní. Ale uveďme se nejdříve do historické situace, kdy vznikaly základní myšlenky OTR, což bylo někdy v roce 1907. V dané době byly známy jen dvě síly, a to gravitační a elektromagnetická (dále jen EM), i když pro mnohé ta EM ještě rozdělená na sílu elektrickou a magnetickou. O silné síle, která drží pohromadě třeba jádro atomu či nukleony, nebo o slabé síle, jež způsobuje např. beta radioaktivitu, nebylo nic známo. Většina fyziků v té době pochybovala i o existenci samotných atomů, což byl jeden z důvodů, kvůli němuž spáchal v roce 1906 sebevraždu Ludwig Boltzmann, jehož termodynamika je na existencí atomů založena, tak jaká silní síla. Z částic byl objeven pouze elektron (1897) a předpovězen foton (1905), např. proton byl zaregistrován až později (1919). Tedy převládalo stále newtonovsky mechanické chápání síly v tom smyslu, že např. když rukou hodíme kámen, ruka působí silou F na předmět hmotnosti m, čímž mu dá zrychlení a.

V čem je ale problém s gravitací? Vždyť jasně vidíme, že gravitace přitahuje dvě hmotná tělesa k sobě. Proč by neměla být silou? Uděluje přece kameni, který pustíme z ruky, tíhové zrychlení 9,81 m/s^2 směrem k zemi. Bláznivé ale je, že je to naopak. Když stojíme na zemi, její povrch nás překvapivě urychluje směrem vzhůru svou pevností, založenou na EM síle (EM odpuzování elektronů v "orbitech" atomů). Ale vysvětleme si to hezky pomalu.

Z newtonovského pohledu byla gravitace dokonce první exaktně pospanou silou, takže nikdo o tom, že je to síla, po dlouhou dobu nepochyboval. Je to také jediná síla, kterou lidé po tisíce let vnímali v každém okamžiku ve svém každodenním životě. Je to tedy dokonce jakýsi archetyp síly, "vzor" síly.

Jenže Einsteinovi někdy v onom roce 1907 došlo, že je to velmi divná síla v tom, že (obvykle) nezpůsobuje žádné zrychlení. Když padá třeba letadlo prudce dolů v tíhovém poli Země, lidé v něm chvíli poletují v beztížném stavu (viz obrázek výše) prostě proto, že se letadlo pohybuje po tzv. geodetice, tedy po dráze v souladu s gravitačním polem. Pohybuje se volně, bez zrychlení, bez působení jiné síly než gravitace. Zde princip princip ekvivalence říká, že to, když člověk padá s výtahem volným pádem je identická situace, jako když se vznáší v beztížném stavu ve vesmíru, bez patrného vlivu gravitace. Člověk nepociťuje při takovém pádu žádné zrychlení a i přístroj na měření zrychlení, akcelerometr, ukazuje zrychlení nulové. Einsteina údajně nenapadl princip ekvivalence na příkladu výtahu. Ale když se z okna patentového úřadu v Bernu díval na pokrývače na střeše, představil si, co by cítil, kdyby padal dolů ze střechy.

Co ale v takové situaci působí? Nepůsobí  tady nic proti gravitačnímu poli, tedy je tu jen jedno pole, gravitační (vše si představujeme ve vakuu). Kdežto u sil, které zrychlení způsobují, třeba elektrické pole nebo hod rukou, který je možný jen díky elektromagnetickému (dále jen EM) působení mezi rukou a kamenem, jsou přítomny pole dvě. Vždy jde o pole EM (pevnost ruky a kamene), a děje se to v poli gravitačním. Jedno pole narušuje druhé pole, zde pole gravitační. Narušení gravitačního pole se projevuje zrychlením. Přešli jsme tu nenápadně na pojetí kvantové teorie pole, které tvrdí, že každou sílu způsobuje nějaké pole. A v tomto pojetí jsou obě dvě skutečně síly, protože jsou obě výsledkem působení pole, EM nebo gravitačního.

Můžeme tedy vytvořit jinou definici síly, než onu 340 let starou, a to že síla je výsledkem působení pole, a to pokud je jedno pole schopno narušit jiné pole, kterážto možnost platí vždy. Je to obecnější definice, založená na poznání moderní fyziky, a jako taková má nárok na vyšší pravdivost. Podle ní by se síla projevovala tehdy, když jedno pole narušuje druhé pole, ne jen když nějaké pole narušuje pole gravitační, což je jen speciální situace z užšího pohledu jediného pole, odpovídající starému Newtonovu pojetí. Tomu narušení pole říká fyzika perturbace. K tomu, abychom narušení zjistili, ale potřebujeme vždy dvě pole, ne jen jedno. Těžko projeví jedno družstvo svou sílu, metaforicky řečeno, když to druhé do zápasu nenastoupí.

Kdyby existovalo někde třeba jen elektrické pole, prohlašovali bychom i o elektrickém poli, že nezpůsobuje sílu, protože by ho nic nenarušovalo, soudě podle vzoru Newtonovy definice. U Newtona není zrychlení nic jiného než znak narušení gravitačního pole. Když necháme jakoukoliv sílu, jakékoliv pole bez vlivu jiného pole, vždy se bude v něm částice pohybovat volně podle tohoto pole. Ale pak bychom žádnou sílu nemohli onačit za sílu. Síla se obvykle a nejčastěji objeví při konfliktu dvou polí.

Problém je tu ale v tom, že gravitační pole je prostoročas, ve kterém se odehrávají všechny fyzikální děje v naše vesmíru. A prostoročas neumíme odstranit, jako to zvládneme třeba s EM polem když např. odstraníme magnet z nějakého místa, a tím magnetické pole nebude na daném místě (téměř) existovat. Gravitační pole, prostoročas, je scéna, na které se všechny děje odehrávají. Kdybychom jej odstranili, zmizely by na daném místě  všechny ostatní fyzikální děje, které známe a neměli bychom o čem uvažovat. Je to základ existence našeho vesmíru. I když bude gravitační pole homogenní, rovnoměrné, tedy nebude "táhnout" na nějakou stranu, bude stav beztíže, stejně když do tělesa strčíme rukou, bude klást odpor, neboť je v gravitačním poli. Touto akcí ho urychlíme, protože jsme na něj působili EM silou.

K tomu, že gravitace je síla, nás zavede i druhá zobecňující úvaha (po prvním zobecnění, že síla je to, co je způsobeno polem). Prostoročas není tak úplně všudypřítomný, jak jsme si před chvílí tvrdili, máme-li věřit obecné teorii relativity. Podle ní to totiž vypadá, že náš vesmír, tedy i prostoročas, vznikl před 13,8 miliardami let velkým třeskem z malé, i když nenulové oblasti. Z toho ale jasně plyne, že musel velký třesk vzejít z jiné entity, než prostoročasu. Dá se snadno předpokládat, že to bylo z jiného "média", ve kterém náš vesmír plave i nyní, z jiného pole. Evidentně tedy gravitační pole "plave" v jiném, základnějším poli, stejně jako všechna kvantová pole "plavou" v prostoročasu. Vlastnosti tohoto hlubšího pole zatím netušíme. Pak ale budou v této zatím neobjevené entitě zřejmě místa, kde není gravitační pole. Pak by ale, v duchu jednostranné Newtonovy definice, nebyla síla to, co produkuje tato entita, ale gravitace by síla byla, protože by narušovala tuto entitu, toto základnější pole. Je-li něco silou je tedy zřejmě tvrzením relativním, a po Einsteinově vzoru, který relativizoval prostor a čas, tu relativizujeme i sílu.

Nebo můžeme použít "demokratičtější" přístup, kdy nebudeme stavět pole do hierarchie, a za sílu budeme považovat každé pole, které je schopno narušovat jakékoliv jiné pole. I z tohoto hlediska je gravitační pole silou, protože narušuje elektromagnetické (EM) pole. Na tomto poli, jak už řečeno, totiž stojí pevnost všech předmětů z našeho přirozeného světa, včetně pevnosti našeho těla. Ono narušení EM pole gravitačním je vidět extrémně třeba na mechanismu špagetizace objektů při pádu do (poměrně malé) černé díry. Geodetiky, tedy dráhy volného pádu jednotlivých atomů těla se totiž směrem do jejího "středu" sbíhají, takže je astronaut padající do černé díry z boků stlačován do nudličky. A navíc je natahován jakoby na skřipec, protože nohy dole mají větší gravitační zrychlení než hlava. Tento proces pochopitelně také vytváří teplo a EM záření z vyšší energií, což je zřetelný znak narušení EM pole. (Lokálně, v rozměrech třeba atomového jádra v těle, gravitační pole prakticky nepůsobí (říkáme že princip ekvivalence platí jen lokálně), ale v makro-rozměrech, je tato síla nejednou extrémní.)

Je jasné, že tady platí princip, který můžeme metaforicky označit za "akci a reakci". Když se "potkají" dvě pole, jedno perturbuje druhé a druhé perturbuje první. Neexistuje nic jako jednostranné narušení jednoho pole. Pak obě pole jsou zdrojem síly.

Třetím argumentem, a to bez existence jakéhokoliv jiného pole, je přitahování dvou černých děr, například když splynou po tanci kolem sebe. Tedy poměrně nedávno pozorovaný proces detektorem LIGO, za který byla udělena Nobelova cena, viz obrázek výše. Není tu přítomno žádné jiné pole než gravitační, a přesto dvě tělesa na sebe zřetelně působí. Gravitace perturbuje sama sebe, tedy i sama pro sebe je silou. (Poznámka k další analýze: horizont je elektromagnetický jev.)

A kdyby se vyskytla námitka, že jen gravitační pole je spojitá entita a není kvantováno jako ostatní pole, lze snadno poukázat na snahy super-strunové hypotézy (M-teorie) nebo smyčkové kvantové gravitace, neboť ti vypadá, že bez kvantování gravitačního pole nelze dobře popsat singularity.

Vypadá to tedy, že názor, že gravitace není síla, je něco, co se opírá o skoro 350 let starou, ne dostatečně obecnou Newtonovu definici síly. Opravdu to chce už uvažovat v nových konceptech. Tedy vlastně alespoň konceptem 20. století starých (kvantová teorie pole) a ne 350 let starých.

-------------------

A jestli vás téma gravitace zajímá, zkuste hypotetickou úvahu Není náhodou temná energie podstatou gravitace? K podstatě gravitace a principu ekvivalence se vyslovuje zase blog Padá pírko stejně rychle jako kus železa? Jak kde. kvantová gravitace