Równanie $E=mc^2$ jest prawdopodobnie najsłynniejszym wzorem w historii ludzkości. Widzimy je na koszulkach, kubkach i w popkulturze, traktując jako symbol geniuszu Alberta Einsteina. Jednak paradoksalnie, to, co tak powszechnie znane, jest często błędnie interpretowane. W redakcji topflop.pl lubimy zaglądać pod podszewkę oczywistości, dlatego dziś bierzemy na warsztat fundamentalne pytanie: czy aby na pewno potrzebujemy masy, by wytworzyć grawitację? Odpowiedź może zaskoczyć nawet tych, którzy uważali na lekcjach fizyki.
Pułapka Newtona: Gdzie kończy się intuicja
Nasza codzienna intuicja i klasyczna edukacja opierają się na fizyce Izaaka Newtona. Według niej sprawa jest prosta: grawitacja to siła, z jaką przyciągają się dwa ciała posiadające masę. Im większa masa, tym silniejsze przyciąganie. Ziemia przyciąga nas, my przyciągamy Ziemię. Proste, prawda? Z tego wynikałoby, że coś, co masy nie ma – na przykład foton, czyli cząstka światła – powinno być na grawitację całkowicie obojętne.
Gdyby świat działał wyłącznie według zasad Newtona, bezmasowe światło przelatywałoby obok słońc i czarnych dziur po idealnej prostej, a pojęcie „ciężaru światła” byłoby absurdem. Jednak żyjemy w rzeczywistości, którą w 1915 roku zrewolucjonizowała Ogólna Teoria Względności. Einstein pokazał nam, że grawitacja nie jest „siłą” w magiczny sposób łączącą obiekty, lecz zakrzywieniem czasoprzestrzeni. A do zakrzywiania czasoprzestrzeni wcale nie jest potrzebna materia w tradycyjnym rozumieniu tego słowa.
Źródło grawitacji: Nie masa, a tensor energii
Kluczem do zrozumienia zagadki jest to, co tak naprawdę „mówi” czasoprzestrzeni, jak ma się zakrzywiać. W równaniach Einsteina rolę tę pełni nie sama masa ($M$), ale tak zwany tensor energii-pędu ($T_{\mu\nu}$). Brzmi skomplikowanie, ale sprowadza się do jednego fundamentalnego faktu: źródłem grawitacji jest energia.
Masa, zgodnie ze słynnym wzorem $E=mc^2$, jest po prostu jedną z form energii – „skondensowaną” energią spoczynkową. Jest to forma dominująca w naszym codziennym życiu (dlatego Ziemia ma tak potężną grawitację), ale nie jedyna. Każda forma energii – termiczna, kinetyczna, czy energia zawarta w promieniowaniu – ma swój wkład w grawitację.
Dlatego fizycy teoretyczni często posługują się przykładem, który doskonale ilustruje to zjawisko: wyobraźmy sobie szczelnie zamkniętą skrzynię pełną gazu. Jeśli podgrzejemy ten gaz, jego cząsteczki zaczną poruszać się szybciej (wrośnie ich energia kinetyczna). Mimo że nie dodaliśmy do środka ani jednego nowego atomu, skrzynia jako całość stanie się cięższa. Jej pole grawitacyjne wzrośnie. Gorąca cegła w istocie „waży” więcej niż zimna, choć różnica ta jest tak mikroskopijna, że niemierzalna w warunkach domowych.
Bezwzględna demokracja Wszechświata
To prowadzi nas do fascynujących wniosków dotyczących światła. Fotony nie mają masy spoczynkowej, ale posiadają energię. A skoro mają energię, to zgodnie z zasadami Ogólnej Teorii Względności, muszą również zakrzywiać czasoprzestrzeń. Oznacza to, że wiązka światła wytwarza własne pole grawitacyjne.
Gdybyśmy byli w stanie zamknąć w pudełku idealnym (o lustrzanych ściankach) odpowiednią ilość fotonów, to pudełko to miałoby masę i przyciągałoby inne obiekty, mimo że w środku nie byłoby ani grama materii (fermionów). Co więcej, gdybyśmy doprowadzili do anihilacji materii i antymaterii, w wyniku której cała ich masa zamieniłaby się w czystą energię promieniowania, grawitacja tego układu nie zniknęłaby magicznie. Zewnętrzny obserwator wciąż czułby to samo przyciąganie, ponieważ energia układu pozostała zachowana – zmieniła się tylko jej forma: z masywnej na promienistą.
Wszechświat nie rozróżnia więc, czy grawitacja pochodzi od kamienia, gwiazdy czy promienia lasera. Dla czasoprzestrzeni liczy się jedynie gęstość energii. To przypomina nam, że podział na „namacalną materię” i „ulotną energię” jest w dużej mierze sztuczny, a rzeczywistość na poziomie fundamentalnym jest znacznie bardziej płynna, niż sugerują to nasze zmysły.
