Gravitācijas iedarbība mums ir labi zināma gan no ikdienas, gan no skolas solā apgūtā, tomēr tās dziļāko būtību pilnīgi izprast joprojām nav izdevies. Sers Īzaks Ņūtons, kas noformulēja klasisko gravitācijas likumu, par gravitācijas dabu ir teicis tā: "Fakts, ka viens ķermenis var iedarboties uz citu no attāluma caur vakuumu, bez jebkādas vides, kas pārnestu iedarbības spēku, man šķiet tik absurds, ka nekad cilvēku filosofiskā domāšana neļaus šo fenomenu pilnībā izprast.”

Ir veikti daudzi eksperimenti ar mērķi noskaidrot, kāds tad ir gravitācijas izplatīšanās ātrums. Iegūtie rezultāti liecina, ka tas noteikti ir ievērojami lielāks par gaismas ātrumu (vismaz 10⁵ - 10¹⁰ reizes). Šeit talkā nāk vispārīgā relativitātes teorija (VRT), kas gravitāciju definē kā tīri ģeometrisku laika–telpas deformāciju, nevis kā spēku, kas izplatās telpā, tādējādi uz to neattiecas ātruma ierobežojumi, kādi tie ir, piemēram, elektromagnētiskajiem viļņiem.

Gravitācijai nav novērojama aberācija

Ceļā no Saules līdz Zemei gaisma pavada aptuveni 8,3 minūtes, kuru laikā Saules disks pie debesīm pārvietojas par aptuveni 20,5 loka sekundēm, līdz ar to mēs redzam Sauli vietā, kur tā patiesībā atradās pirms 8,3 minūtēm. Līdzīgā veidā aberācijas dēļ arī pārējās zvaigznes ir nobīdītas no savas patiesās pozīcijas vidēji par 20,5 loka sekundēm, atkarībā no to relatīvās pozīcijas pret Zemes orbītu. Šo faktu jau 18. gadsimtā konstatēja angļu astronoms Džeimss Bredlijs. Rēķinot debess ķermeņu orbītas, tiek ņemtas vērā debess ķermeņu patiesās pozīcijas.

Ne pārāk sarežģīts novērtējums liecina, ka, ņemot vērā gravitācijas aberāciju, Saules sistēmas planētu orbītas piedzīvotu nopietnas izmaiņas relatīvi īsā laika posmā. Astronomijā ir labi pazīstams Pointinga – Robertsona efekts, kas liek sīkiem puteklīšiem, kas atrodas orbītā ap Sauli, pamazām, pa spirālveida trajektoriju, nokrist uz Saules. Šo efektu tiešā veidā izraisa gaismas aberācija. Uz šīm daļiņām darbojas gaismas spiediena spēks, kas aberācijas dēļ nav pilnīgi perpendikulārs daļiņas kustībai, nedaudz to bremzējot, kas noved pie daļiņas pakāpeniskas tuvošanās Saulei. Ja, līdzīgi kā gaismai, arī gravitācijai būtu ierobežots izplatīšanās ātrums, varētu novērot kaut ko līdzīgu Pointinga – Robertsona efektam, tikai pretējā virzienā, jo gravitācijas spēks darbojas pretēji gaismas spiediena spēkam. Tādējādi planētas tiktu pakāpeniski paātrinātas un attālinātos no Saules. Ja gravitācija izplatītos ar gaismas ātrumu, Zemei atbilstošais paātrinošais spēks būtu tikai 0,001% no Saules gravitācijas spēka (attiecība v/c, kur Zemes orbitālais ātrums v = 30 km/s, bet gaismas ātrums c = 300 000 km/s), tomēr tas būtu pietiekami, lai 1200 gadu laikā Zemes attālums no Saules palielinātos divkārt. Taču nav zināmi astronomiskie novērojumi, kas liecinātu par šādām (arī daudz mazākām) izmaiņām Zemes orbītā. Šāda efekta neesamības dēļ Pjērs Simons Laplass uzskatīja, ka gravitācijas ātrums vismaz 10⁸ reizes pārsniedz gaismas ātrumu.

Ir vēl citi novērojumi, kas liecina, ka gravitācijai nepiemīt aberācija. Pirmkārt, tādi ir Saules aptumsumu laikā veiktie mērījumi, kas liecina, ka Saules aptumsums sasniedz maksimumu aptuveni 38 sekundes, pirms sakrīt Saules un Mēness gravitācijas spēku darbības virziens. Izskaidrojums tam ir gluži vienkāršs: jau minētā Saules aberācija ir 20,5 loka sekundes, bet Mēness aberācija ir aptuveni 0,7 loka sekundes, jo Mēness ātrums orbītā ap Zemi (1 km/s) ir 30 reizes mazāks kā Zemes ātrums orbītā ap Sauli (30 km/s).

Tā kā notiekot Saules aptumsumam, Mēness pie debesīm it kā “noķer” un “apdzen” Sauli, tad vispirms tas aizēno aberācijas dēļ aizkavējušos Saules gaismu, bet tikai pēc tam “īsto” Sauli, kas ir gravitācijas avots. Lai pie debesīm veiktu 20 loka sekundes, Mēnesim nepieciešamas tieši 38 sekundes.

Arī ASV Reaktīvās kustības laboratorijas un ASV Flotes observatorijas mērījumu dati liecina, ka Zemes centrtieces paāttrinājums ir vērsts uz punktu, kas atrodas 20 loka sekundes priekšā redzamajai Saulei.

Gravitācijas viļņi

Saskaņā ar VRT, īpašos gadījumos, kad masas sadalījumam piemīt t.s. kvadrupola moments, un šī masa atrodas kustībā, rodas gravitācijas viļņi, kas izplatās kā niecīgas laiktelpas svārstības. Pēc īpašībām gravitācijas viļņiem vajadzētu būt līdzīgiem elektromagnētiskajiem viļņiem jeb gaismai, arī izplatīšanās ātrumam jābūt vienādam. Kosmosā ir novērotas īpašas zvaigžņu sistēmas – binārie pulsāri, kuru īpašības ļauj iegūt ļoti precīzus datus par tiem. Bez tam šādai sistēmai saskaņā ar VRT, izstarojot gravitācijas viļņus, pamazām jāzaudē sava enerģija.

Novērojumi liecina, ka binārajam pulsāram PSR J0737-3039 attālums starp abām komponentēm samazinās par 7 milimetriem diennaktī, precīzi, kā to paredz VRT. Uz Zemes vēl nav izdevies eksperimentāli novērot gravitācijas viļņus, tomēr tuvākajā nākotnē varētu sagaidīt rezultātus no LIGO jeb Lāzeru Interferometra Gravitācijas viļņu Observatorijas, kas uzbūvēta Kalifornijā . Gravitācijas viļņus ir ļoti grūti detektēt, jo tie ir ļoti vāji un dažādi traucējumi nomāc mērījumu rezultātus, pie tam uz Zemes vai tās tuvākajā apkārtnē nav neviena avota, kas varētu radīt novērojamus gravitācijas viļņus. Lielākās cerības tiek saistītas ar pārnovu eksplozijām, kurās notiek masas pārdalīšanās milzīgos apjomos.

Runājot par gravitācijas viļņiem, visbiežāk tiek pieļauta kļūda uzskatot, ka tie pārnes gravitācijas lauka izmaiņas. Tomēr gravitācijas lauka izmaiņas notiek visu laiku, un tās ir samērā viegli eksperimentāli konstatējamas, bet gravitācijas starojumu joprojām nav izdevies konstatēt. Gravitācijas lauks mainās katru dienu, un to varam redzēt, kaut vai novērojot Saules un Mēness gravitācijas lauka izraisīto paisumu un bēgumu. Tomēr paliek atklāts jautājums, par to, kādā ātrumā izplatās gravitācijas lauka izmaiņas, un, kas šīs izmaiņas pārnes.

Laiktelpas liekums

Iepriekš jau noskaidrojām, ka gravitācijas iedarbības efekts ir momentāns, taču tas nenozīmē, ka to pašu var teikt par gravitācijas lauka izmaiņu izplatīšanos, jo aprakstītā gravitācijas darbība notika relatīvi nemainīgā laukā, līdz ar to nav nekas neparasts, ka šādai gravitācijas iedarbībai ir momentānas iedarbības raksturs. Populārs skaidrojums gravitācijas momentānai iedarbībai ar ierobežotu lauka izmaiņu izplatīšanās ātrumu ir gumijas loksnes modelis – dažādas masas lodītes vairāk vai mazāk ieliec gumijas loksni.

Piemēram, kas notiktu, ja Saule pēkšņi pazustu? Vai Zeme uzreiz aizlidotu pa savas orbītas pieskari, vai paietu kāds laiks (8,3 minūtes?), līdz informācija par Saules un gravitācijas lauka pazušanu nonāktu līdz mums?

Tomēr uzreiz jāatzīmē, ka gumijas loksnes modelis sniedz nepilnīgu priekšstatu par gravitācijas darbību – mazās bumbiņas neripotu lielās izveidotajā bedrē, ja neeksistētu kāds ārējs spēks, piemēram, gravitācija, kas liek tām kustēties uz leju. Tomēr, izrādās, ka ar to vien problēmas nebeidzas. Saskaņā ar relativitātes teoriju, liekums kādā telpas punktā ir proporcionāls lielumam v²/c², kur v ir ķermeņa orbitālais ātrums šajā vietā, bet c – gaismas ātrums, savukārt reālie orbītas liekumi dažādām trajektorijām ir proporcionāli lielumam v/c. Tādējādi debess ķermeņu orbītas ievērojami atšķiras no teorētiskā telpas liekuma, piemēram, Zemes gadījumā par aptuveni 10 000 reizēm. Šie spriedumi gan nav līdz galam korekti, jo relativitātes teorijā laiks un telpa jāaplūko kā vienots veselums, nevis, kā šajā gadījumā – atrauti viens no otra.

Te vajag gumijas loksnes attēlu. Kas notiktu ar Zemi? Pie tam ne vienmēr relativitātes teorijā kā gravitācijas izskaidrojumu izmanto laiktelpas deformāciju. Jau 1920. gadā sers Artūrs Edingtons atzīmēja, ka pastāv praktiski ekvivalents Eiklīda telpas un laika modelis, kurā gravitāciju veido gaismu lauzt spējīga vide, kas precīzi izskaidro gaismas staru noliekšanos ap Sauli, gravitācijas radīto sarkano nobīdi un Merkura perihēlija nobīdi – efektus, ko precīzi apraksta tikai VRT. Bez tam, šobrīd ir zināms, ka visiem makroķermeņiem, ne tikai tos veidojošajām elementārdaļiņām, piemīt elektromagnētiskajiem viļņiem raksturīgas iezīmes.

Klasiskajā Ņūtona teorijā gravitācija izplatās ar bezgalīgi lielu ātrumu. Tāpat zināms, ka pie maziem ātrumiem un vājiem laukiem relativitātes teorija reducējas uz Ņūtona teoriju. Tomēr relativitātes teorijā netiek automātiski pieņemts, ka visas gravitācijas lauka izmaiņas ir momentānas, kā tas ir Ņūtona mehānikā. Sīkāk papētot relativitātes teorijas matemātisko aparātu gan var secināt, ka ar dažiem matemātiskiem trikiem, izmantojot tā sauktos aizkavētos jeb retardētos potenciālus, arī relativitātes teorijā gravitācijas izplatīšanās ātrums pieņemts par praktiski bezgalīgi lielu.

Lai pamatotu, ka gravitācijas lauks spēj momentāni iedarboties uz tāliem ķermeņiem, tas nereti tiek aprakstīts kā konstants ķermeņa “paplašinājums”, kas eksistē visu laiku, tādējādi tam nav kustīgu daļu un nav nepieciešams izplatīšanās ātrums. Tomēr ir dīvaini, ka statisks lauks bez kustīgām daļām starp dažādiem ķermeņiem spēj pārnest impulsu. Šeit atkal parādās gumijas loksnes dilemma. Kāpēc gan izliektas gumijas loksnes vai laiktelpas dēļ, būtu jāizmainās ķermeņu kustībai? Jāpiebilst, ka statisks gravitācijas lauks var būt arī tāds, kas visu laiku tiek reģenerēts, līdzīgi kā ūdenskritums, kas visu laiku ir nemainīgs, tomēr atrodas kustībā. Ja gravitācijas lauks tiešām ir statisks un nemainīgs, tik un tā ir nepieciešams mehānisms, kas izliec laiktelpu, kad masa tuvojas kādai vietai, un cits mehānisms brīdim, kad masa attālinās.

Reālajā kosmosā neeksistē objekti, kas atrastos statiskā stāvoklī (tādi, kas neatrodas paātrinātā kustībā). Piemēram, Saule atrodas kustībā ap baricentru, dažkārt pat baricentrs atrodas ārpus Saules fiziskajām robežām. Tas savukārt nozīmē, ka Saules gravitācijas lauks ir nemitīgi “jāatjauno” līdz pat bezgalīgi lielam attālumam. Tam ir nepieciešams kāds informācijas nesējs, kuram savukārt noteikti ir kāds izplatīšanās ātrums. Tomēr šim ātrumam jābūt ļoti lielam, jo sekas, kādas būtu, šim ātrumam esot vienādam ar gaismas ātrumu, tepat Saules sistēmā jau ir aprakstītas iepriekš.

Šķiet, vispārliecinošāko pierādījumu gravitācijas izplatīšanās lielajam ātrumam sniedz melnie caurumi. Kā zināms, to gravitācija ir tik spēcīga, ka pat gaisma nespēj no tā izlauzties ārā. Gravitācijas lauka eksistence ap to tiek skaidrota tā, ka tas (gravitācijas lauks) ir iesaldēts melnā cauruma kolapsa brīdī.

Tomēr, kas notiek, ja ap kopīgu masas centru riņķo divi melnie caurumi? Šādā gadījumā katra melnā cauruma gravitācijas lauku visu laiku ietekmē partnera gravitācijas lauks. Ja kādā punktā starp tiem pēkšņi abi gravitācijas lauki ir vienādi, tad telpas liekuma tur nav. Bet melnajiem caurumiem orbītā attālinoties vai satuvinoties, šajā punktā parādās telpas liekums, un ir jābūt kādam informācijas nesējam no melnajiem caurumiem, kas liek rasties šim telpas liekumam.

Nav loģiski, ka iesaldētais gravitācijas lauks līdz pat bezgalīgi lielam attālumam tiek paātrināts kopā ar “savu” melno caurumu, daudz loģiskāk būtu, ja tas tiktu visu laiku no jauna reģenerēts. Bez tam notiek melno caurumu masas izmaiņas (pie tam tā ne vienmēr kļūst lielāka!), kas arī noteikti ietekmē tā gravitācijas lauku. Līdz ar to var secināt, ka gravitācijas laukam ir savi informācijas nesēji, kuru ātrums ir lielāks par gaismas ātrumu, lai tie varētu izlauzties ārpus melnā cauruma notikumu horizonta. Precīzāki pulsāru datu pētījumi liecina, ka šis ātrums vismaz 2*10¹⁰ reizes pārsniedz gaismas ātrumu.

Raksts sagatavots sadarbībā ar žurnālu "Terra"