1.Czy istnieje grawitacyjny niedobór masy?

Uwaga! Już ten post zawiera treści zaskakujace, kontrowersyjne, prowokujące do sprzeciwu – szczegolnie czytelników przygotowanych profesjonalnie. Zachęcam mimo to do przemyślenia kwestii bez założeń wstępnych. Radzę kierować się logiką i nie dać się zwieść nawykom myślowym ukształtowanym w czasach edukacji i działalności dydaktycznej. Rutyna zamyka nawet najbardziej otwarte głowy.

  W fizyce jądrowej stosowane jest pojęcie defektu masy. Czy defekt masy istnieje także w grawitacji? Sądzę (oczywiście nie tylko ja), że tak, pomimo, że jakoś (może nawet wstydliwie) nie określa się tego ilościowo, a warto. Powód? Niebawem się dowiecie. Jednakże w ramach ogólnej teorii względności, rzeczy tej się w zasadzie nie rozpatruje, bo przecież „grawitacja jest stanem zakrzywienia przestrzeni”. Choć istnienia defektu masy grawitacyjnej nikt nie wyklucza, jednoznaczną jego definicją jedynie my się zajmiemy, w dodatku nie na bazie OTW. Chodzi bowiem o energię wiązania, którą określa grawitacyjna energia potencjalna, nie rozważana przez OTW. [Jednym z ustaleń doświadczenia LIGO było stwierdzenie, że energia fal grawitacyjnych emitowanych przez układ, równoważna jest trzem masom Słońca. Taki był sens ubytku masy, który nastąpił w wyniku zdarzenia (zlania się dwóch czarnych dziur): masa zmniejszyła się o energię emitowanych fal.] Mnie chodzi deficyt masy grawitacyjnej układu, czyli o coś innego. Między innymi z tego powodu wolę pozostać przy siłach i energii potencjalnej. Sądzę, że Newton nie powiedział jeszcze ostatniego słowa – szczególnie tam, gdzie w grę wchodzi odkryta przez Einsteina równoważność masy i energii.  Aby podnieść ciało do góry, trzeba zainwestować energię. Energia równoważna jest masie...  

     

   Przypomnijmy sobie jądro atomowe. Jego masa jest mniejsza od masy rozdzielonych nukleonów, tworzących je. Tu mowa jest o niedoborze (deficycie, defekcie) masy. [Znamienne, że masy, a nie jakiegoś ładunku jądrowego. To daje do myślenia, w związku z tym, że istnienie masy oznacza istnienie (tam) pola grawitacyjnego.] Już w tym kontekście nie do odrzucenia jest przypuszczenie, że grawitacja stanowi bazę dla pozostałych oddziaływań, że chyba właśnie tędy wiedzie droga do unifikacji oddziaływań silnych z grawitacją (na razie to tylko marzenie fizyków). Konkluzja ta stanowić może pierwszy krok do spełnienia tego narzenia. Czy ktoś z Was się nad tym zastanowił? „Po co? Przecież grawitacja w skali atomu jest całkowicie do pominięcia.” I kropka. A przecież energia wiązania w jądrze atomowym jest stosunkowo duża (odpowiada energii fotonów gamma), przy tym odpowiada określonej masie (w związku z jej defektem) stanowiącej źródło pola grawitacyjnego. Grawitacja aż tak słaba? To nie znak, że nie istnieje – błąd popełniany często, nie tylko wśród amatorów. Mierzalność nie jest warunkiem istnienia.

     A właściwie, jak to jest z grawitacją?  By podnieść kamień musimy zainwestować energię (tak samo, jak w przypadku rozdzielania składników jądra atomowego, które się wzajemnie przyciągają). Zatem także w tym przypadku „masa przed podniesieniem jest mniejsza”, czyli istnieje defekt masy. Nie oznacza to jednak, że masa kamienia rośnie (mc²), gdyż chodzi o energię układu: Ziemia-kamień. [Tak, jak masa całego jądra atomowego w porównaniu z łączną masą rozdzielonych i oddalonych od siebie jego elementów – większą.] Im większa jest odległość między ciałami oddziaływującymi ze sobą, tym większa jest masa (grawitacyjna!) układu (bo większa jest energia oddziaływania – potencjalna). A jeśli ciała, wskutek oddziaływania, zbliżają się do siebie, to oczywiście masa grawitacyjna układu maleje. Doświadczenia ostatnie (LIGO) zdają się potwierdzać tę tezę, choć nie jest jeszcze pewne, że ich interpretacja jest w pełni poprawna. Masa obiektu otrzymanego ze zlania się dwóch mniejszych (w przekonaniu wszystkich: czarnych dziur) jest mniejsza od sumy mas sprzed ich fuzji. Zatem przekonanie o istnieniu defektu masy grawitacyjnej, dzięki doświadczeniu LIGO stało się udziałem wszystkich. Inna sprawa, że ten ubytek masy jest ponoć równoważny energii emitowanej fali grawitacyjnej. Jak się później przekonamy, to nie koniecznie tak, a sam wynik doświadczenia interpretować można też inaczej.

  Nierzadko, nauczyciele, by upoglądowić równoważność masy i energii w słynnym wzorze Einsteina, twierdzą, że masa ciała podniesionego jest większa, niż masa tegoż przed podniesieniem; że wzrasta wzrostem energii potencjalnej ciała..[Często, szczególnie w szkole, mówi się o energii potencjalnej określonego ciała, a nie o energii układu. To błąd.] „Przecież, by podnieść, dostarczamy mu energię.” Nic z tych rzeczy. Gdyby tak było, to zgodnie z zasadą zachowania energii, musiałaby maleć o tyle samo masa Kuli Ziemskiej. Nonsens.

     Energia potencjalna jest energią układu, w tym przypadku: ciało-Ziemia. Chodzi więc o układ oddziaływujących ciał. Nie ma więc sensu mówić o wzroście masy tego ciała –  traktowanego z osobna. Wielu młodych fizyków bez zastanowienia przechodzi do porządku dziennego nad wypowiedzią nauczyciela, nie wgłębiając się, świadomi, że „to przecież tylko szkółka”. I dalej brną zachowując tę szkółkę w podświadomości. A gdy zostają nauczycielami... 

 Ostatecznie, w odpowiedzi na pytanie zadane w tytule tego postu, odpowiadamy: Tak.

      Podnosimy ciało do góry. Czy łączna energia układu Ziemia-ciało wzrasta? Nie, jeśli ciało podnoszone jest kosztem części energii wewnętrznej układu. A jeśli mamy układ zamknięty dwóch ciał, a ich swobodny ruch względny uwarunkowany jest przez ich wzajemne oddziaływanie grawitacyjne? Także w tym najprostszym przypadku łączna energia układu nie zależy od czasu. Ale nas w gruncie rzeczy interesuje tylko grawitacja. Skoncentrujmy się więc roboczo wyłącznie na energii potencjalnej wzajemnego oddziaływania grawitacyjnego ciał tworzacych układ, traktując ją wyłącznie jako jeden ze składników energii całkowitej. Siłą rzeczy pomijamy tu energię kinetyczną, a ogólnie, wszelkie inne rodzaje energii istniejacej w danym układzie. Dla dociekliwych sceptyków właśnie zapala się światełko – żółte, jeszcze nie czerwone. [A dalej? Może będzie nawet podczerwień.]. Dodam więc dla porządku rzeczy, że zasada zachowania energii obowiązuje w układzie zamknietym i dotyczy łącznej energii. Ale kontynuuję. To tylko relacja z przebiegu rozumowania. Proszę więc o cierpliwość. To dopiero początek. Oszczędzajcie swą zapalczywość.