HIPOTEZE

Pripremio: Zoran Janjušević

Savijanje svetlosti pod uticajem gravitacije

Zagonetka izmeĐu Sunca i Zemlje

Danas je opšteprihvaćena hipoteza Alberta Ajnštajna da se, pod uticajem gravitacije, veličina „prostor-vreme” zakrivljuje slično gumenom platnu opterećenom masivnom kuglom. Na ovaj način se dobija zakrivljena levkasta površina koja je dublja ukoliko je kugla masivnija

Ajnštajnove jednačine koje su opisivale silu gravitacije davale su, u većini slučajeva, rezultat isti kao i Njutnove koje su mnogo prostije. Taj rezultat je bio isti za sve planete Sunčevog sistema osim za Merkur. Tu se javljalo izvesno odstupanje. Ajnštajnova teza da je najveća zakrivljenost prostor-vremena u oblastima gde je gravitaciono polje najjače dala je dobar rezultat. Njegove jednačine, izvedene na bazi tog zaključka, uklonile su to odstupanje u određivanju putanje Merkura. Objašnjenje je u blizini Merkura Suncu, gde je gravitaciono privlačenje jače nego kod drugih planeta Sunčevog sistema.

Danas se smatra da su Ajnštajnove jednačine univerzalne a da Njutnovi obrasci predstavljaju samo prvi član aproksimativnog reda tih jednačina, što je u većini slučajeva dovoljna tačnost. Ajnštajn je predviđao i savijanje svetlosti emitovane sa udaljenih izvora pod uticajem zakrivljenog polja prostor-vreme u blizini masivnih objekata, u našim uslovima Sunca, pri prolazu kroz njegovo gravitaciono polje. Prilika za proveru te tvrdnje ukazala se 1919. kada je došlo do totalnog pomračenja Sunca što se moglo posmatrati sa obale zapadne Afrike. Veliki broj astronoma otišao je da prati tu pojavu, među njima i Edington koji je napravio veliki broj fotografija i njima potvrdio da se svetlost sa udaljenih objekata-zvezda, pri pojavi totalnog pomračenja Sunca (u normalnim uslovima, sunčeva svetlost sprečava osmatranje zvezdanih objekata koji se nalaze u produžetku linije Zemlja-Sunce), savija oko Sunca. To se manifestuje pomeranjem slike svetlosnog izvora od njegovog stvarnog položaja ka prividnom položaju u produžetku skrenutog dela svetlosnog zraka Zemlja-Sunce (slika 1). Taj eksperiment je potvrdio Ajnštajnova predviđanja.

Objašnjenje ove pojave dato je u Ajnštajnovoj Opštoj teoriji relativiteta kao gravitaciono privlačenje mase Sunca prema masi fotona, nosioca svetlosne pojave. Prema važećim shvatanjima, foton poseduje masu u kretanju čija veličina zavisi od vrste zračenja, odnosno veličine energije koju poseduje. U vidljivom delu spektra ljubičasti zraci imaju najveću frekvenciju a to znači najveću masu i energiju koja opada ka crvenom delu spektra tako da fotoni crvene svetlosti imaju najmanju masu i energiju. Ovo proizlazi iz čuvene Plankove formule po kojoj je frekvencija direktno proporcionalna energiji i Ajnštajnove formule E= MC2 prema kojoj su masa M i energija E dva oblika iste fizičke veličine vezane koeficijentom proporcionalnosti C2 ( kvadrat brzine svetlosti).

Savijanje svetlosnog signala oko Sunca utvrdilo je verovanje savremenih fizičara u ispravnost pomenute hipoteze uprkos nekim pojavama koje se ne mogu objasniti datom hipotezom. Ako gravitacija deluje na fotone, može se očekivati da dolazeći zraci budu ubrzani a odlazeći usporeni, što do sada nije zapaženo a protivi se i Ajnštajnovoj teoriji da je brzina svetlosti u vakuumu konstantna veličina. Teorija predviđa drugu vrstu promena na fotonu. Dolazeći svetlosni zrak (foton) povećava vrednost frekvencije (energije-mase) a odlazeći smanjuje frekvenciju (energiju-masu) pod uticajem gravitacije, slično Doplerovom efektu. Na taj način foton, ne gubeći brzinu, menja samo svoju unutrašnju energiju na račun gravitacione sile.

Ovo je jedno od nerazumljivih ponašanja fotona prema shvatanjima klasične fizike. Logično je pretpostaviti da foton, ako poseduje masu, oseća i gravitaciono delovanje Sunca u pravcu svog kretanja (ili je taj uticaj vrlo mali i kao takav neprimetan) pa ubrzava ili usporava u svom pravolinijskom kretanju. Normalno je i da se savija pod njegovim uticajem.

Na putu ka posmatraču na Zemlji

Maks Plank

Pojava da svetlost pri prolazu iz jedne sredine u drugu, različite gustine, menja pravac dobro je poznata iz elementarne fizike. Pri promeni sredine iz ređe u gušću (na primer iz vazduha u vodu, slika 2 ), svetlost se prelama (savija) ka normali na razdvojnu površinu, i obrnuto - kada prolazi iz gušće u ređu, prelama se od normale.

Sunce je zvezdani objekt sastavljen pretežno od vodonika i helijuma. Nuklearnim procesom fuzije (spajanja) pretvara se lakši gas vodonik u teži helijum, čime se oslobađa velika količina toplotne energije koja zagreva Sunce a indirektno i Zemlju. Logično je zaključiti da je veći deo helijuma lociran u središtu Sunca a da vodonik kao lakši element pretežno zauzima spoljni omotač, sunčevu atmosferu. Iza vodonika nastaje prazni međuzvezdani prostor koji je, pošto se prostire do sledećeg vasionskog tela, u našem slučaju Zemlje, ispunjen samo kosmičkim zračenjem.

Varljiva svetlost sa horizonta

Svetlosni zrak, koji dolazi iz udaljenog svetlosnog izvora lociranog iza Sunca, na putu ka posmatraču na Zemlji prethodno prolazi kroz spoljni omotač Sunca. Pri tome on menja sredinu ulazeći iz praznog međuzvezdanog prostora u atmosferu vodonika. Ovo izaziva promenu pravca svetlosti u skladu sa napred pomenutim zakonima optike (izlazak iz ređe u gušću sredinu) tako da se savija ka normali na sunčevu površinu. U daljem kretanju kroz vodonični omotač, ponovo dolazi do granične površine, pri čemu sada prelazi iz gušće u ređu sredinu ali sa suprotne strane. Dolazi do ponovne promene pravca svetlosti koja se sada savija od normale. Oba ova savijanja imaju isti smer jer svetlosni zrak koji seče razdvojnu površinu menja stranu ulaska u sredinu druge gustine. Osim toga zakrivljena površina Sunca menja pravac normale (slika 3). U tom slučaju ta dva skretanja se sabiraju pa daju kao rezultat savijanje oko središta Sunčeve mase, čime se dobija isti efekat kao i kad bi se svetlost savijala pod uticajem gravitacije Sunca.

Posmatrač sa Zemlje vidi svetlosni izvor u produženom pravcu dela primljenog svetlosnog signala jer vizuelno ne može da prati stvarnu savijenu putanju svetlosnog zraka. Preciznim merenjem, u poređenju sa ostalim zvezdanim objektima, može se utvrditi razlika između stvarnog i prividnog položaja svetlosnog izvora a samim tim i ugao skretanja svetlosti.

Refrakcija

Postoji još jedno savijanje svetlosti pri ulazu iz bezvazdušnog prostora u zemljinu atmosferu.Ovo savijanje pogađa sve svetlosne zrake koji dolaze iz vasione tako da se dobija sinhronizovano pomeranje svetlosnih izvora. Pojava je poznata astronomima kao „refrakcija“, čija veličina prelamanja zavisi od ugla ulaska u zemljinu atmosferu. Najveće je kada se zvezdani izvor nalazi na horizontu a najmanje kada je zvezda u zenitu. Na osnovu poznavanja gustine vazduha, astronomi su u stanju da izračunaju veličinu prelamanja a samim tim i stvarni položaj emitujućeg zvezdanog objekta.

Izložena hipoteza daje racionalno objašnjenje pojave skretanja svetlosti oko Sunca. Ona polazi od pretpostavke da izuzetno mala masa fotona (pretpostavljena masa fotona vidljivog spektra svetlosti je približno 250.000 puta manja od do sada najmanje poznate mase elektrona) nije podložna gravitacionom privlačenju mase Sunca. To privlačenje, ako postoji, zanemarljivo je i samim tim bez uticaja na pojavu skretanja svetlosti. Znatno veće skretanje nastaje zbog promene gustine sredina kroz koje svetlosni zraci prolaze. Poznata pojava refrakcije ide u prilog ove hipoteze jer nema opravdanja da se svetlost ponaša na jedan način u zemljinoj atmosferi a da taj isti efekat ne važi za sunčevu atmosferu.

Data hipoteza je spekulativnog karaktera jer nema eksperimentalnu potvrdu koja bi je odvojila od važeće hipoteze skretanja pod uticajem gravitacije. Jedini eksperimentalni dokaz je utvrđeno pomeranje svetlosnog izvora koji se može primeniti na obe hipoteze. Ipak hipoteza nije u suprotnosti sa osnovnim zakonom o gravitaciji po kojem sila privlačenja deluje na svaku masu tako što je ubrzava ili usporava, zavisno od smera kretanja posmatrane mase.

Zoran Janjušević