Siły, które kształtują Wszechświat: grawitacjaCzas czytania: 10 min

Jako fizyka nieustannie mój podziw budzi fakt, że naturalnymi interakcjami między wszystkimi cząsteczkami materii rządzą jedynie cztery podstawowe siły przyrody. Są to grawitacja, siły elektryczne i magnetyczne (łącznie ujmowane jako elektromagnetyczne) oraz siły jądrowe (które dzieli się na tzw. mocne i słabe).

W serii artykułów rzucę nieco światła na każdą z tych sił, aby zaakcentować ich unikatową rolę w kształtowaniu Wszechświata i czynieniu życia możliwym. Bliższe przyjrzenie się im – każdej z osobna, a także ich wzajemnym interakcjom – pozwoli ukazać głębię projektu, obok którego trudno przejść obojętnie. Nie trzeba nawet posiadać specjalistycznej wiedzy na temat fizycznych oddziaływań, aby docenić płynące z nich korzyści.

Robi się ciekawie

Któż nie delektuje się ciepłymi promieniami słońca w jesienny dzień albo czerwono-złotymi liśćmi zdobiącymi korony drzew czy srebrnym światłem księżyca, którego odcień zmienia się wraz z kolejnymi fazami? Te i podobne zjawiska, będące przejawami sił fizycznych rządzących przyrodą i życiem, tworzą barwny gobelin, którego sploty podtrzymują nasze istnienie i radują nasze dusze. Robi się jeszcze ciekawiej, kiedy zaczynamy badać zasadnicze siły oddziałujące między cząsteczkami, które ostatecznie nadają kształt wszystkiemu, co widzimy i czego doświadczamy.

Grawitację zazwyczaj kojarzymy z ciężarem czegoś – im większa siła grawitacji, tym dana rzecz jest cięższa. Niektórzy z nas widzieli nagrania filmowe przedstawiające astronautów na Księżycu. Ma się wrażenie, jakby poruszali się oni w zwolnionym tempie albo spacerowali pod wodą. Ten efekt jest powodowany tym, że grawitacja Księżyca jest około sześciu razy słabsza od ziemskiej. Skąd taka różnica? W sposób oczywisty nie może ona wynikać z samej masy Księżyca, skoro jest on lżejszy od Ziemi nie sześć, lecz osiemdziesiąt jeden razy.

Isaac Newton prawidłowo uchwycił zależność, której podlega siła grawitacji – jest ona nie tylko proporcjonalna do mas przyciągających się obiektów, ale też odwrotnie proporcjonalna do ich odległości podniesionej do kwadratu. Promień Księżyca stanowi około 27% promienia Ziemi, a więc astronauta na powierzchni Srebrnego Globu jest niemal cztery razy bliżej jego środka, niż gdyby znajdował się na powierzchni kuli ziemskiej. Podliczając to razem, wedle newtonowskiego prawa ciążenia, waga astronauty na Księżycu wynosi  : 0,27² = , czyli około jednej szóstej jego ciężaru na Ziemi.

Dalej niż Newton

Zaproponowana przez Einsteina ogólna teoria względności, wykraczając poza klasyczną teorię Newtona, poszerza nasze rozumienie grawitacji i konfrontuje nas z najosobliwszymi zjawiskami fizycznymi we Wszechświecie. Ogólna teoria względności pokazuje, że masa – czy nawet odpowiadający masie ekwiwalent w formie energii – zakrzywia samą przestrzeń w ten sposób, że podążające za linią jej zakrzywienia promienie światła same ulegają zakrzywieniu do tego stopnia, iż poddane zostają nawet efektowi zwanemu „soczewkowaniem grawitacyjnym”.

Chyba jeszcze bardziej niewiarygodne jest zjawisko wpływu grawitacji na czas. Teoria Einsteina pokazuje, że czas zwalnia w silniejszych polach grawitacyjnych – efekt ten odgrywa ważną rolę choćby w technologii GPS, gdzie na dane pobierane z satelity nakłada się poprawkę, bez której wyświetlana w nawigacji pozycja naszego samochodu byłaby nieprawidłowa.

Zastanówmy się teraz, jak siła grawitacji nadaje kształt gwiazdom, planetom i całemu Wszechświatowi. Kiedy cofamy się aż do początku przestrzeni, czasu, materii i energii, czyli do momentu zwanego przez naukowców Wielkim Wybuchem – natrafiamy na świadectwa naukowe wskazujące na to, że owe podstawowe składowe zaczęły wówczas gwałtownie ekspandować, za swój początek mając coś, co w matematyce nazywa się punktem – a w fizyce osobliwością¹.

Przyczyna Wszechświata

Zostawmy na razie doniosłe pytanie o to, co mogło sprawić, że Wszechświat w ogóle zaistniał, i wyobraźmy sobie, że siła przyciągania musiała mieć znaczący wpływ na tempo jego ekspansji zaraz po Wielkim Wybuchu. Skoro każda cząstka materii oddziałuje grawitacyjnie na każdą inną, to w warunkach silniejszej grawitacji ekspansja ta napotykałaby na większy opór, i odwrotnie – słabsza grawitacja byłaby mniej skuteczna w spowalnianiu ekspansji. Zaznaczyć tu należy, że istnienie grawitacji zależne jest od istnienia materii, energii i czasoprzestrzeni, a ponieważ wymienione elementy powstały wraz ze Wszechświatem, zatem grawitacji nie możemy utożsamiać z przyczyną powstania Wszechświata.

Wiemy już, że siła grawitacji określa tempo rozszerzania się Wszechświata od momentu jego powstania. Ale czy miało to jakiś wpływ na życie biologiczne? Okazuje się, że tak. Gwiazdy i galaktyki ostatecznie nie rozbiegły się, lecz współrozmieściły w wyniku grawitacyjnej koalescencji pierwotnej materii, która powstała w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu (w kolejnym artykule pokażę, jaki współudział w tym procesie miały inne siły). Gdyby siła przyciągania była odrobinę słabsza, mogłaby nie zapobiec zbyt luźnemu rozprzestrzenieniu się pierwotnej materii w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu. Nie doszłoby więc do takiej koalescencji i materia nie zdołałaby zorganizować się w formie galaktyk i gwiazd. Z kolei nawet nieco silniejsza grawitacja mogłaby zlepić materię ze sobą do tego stopnia, że Wszechświat okazałby się tylko kłębowiskiem czarnych dziur.

W żadnym z tych przypadków Wszechświat nie nadawałby się do życia. Dokładna analiza pokazuje, że aby mogły uformować się gwiazdy i galaktyki oraz aby powstały warunki do zaistnienia znanego nam życia, siła grawitacji musiała znaleźć się w bardzo szczególnym przedziale². Mówimy tu o różnicach rzędu 1 na 10⁶⁰.

Aby zdać sobie sprawę, z jak precyzyjnym dostrojeniem mamy tu do czynienia, przeprowadźmy pewien eksperyment myślowy. Wyobraźmy sobie, że ktoś wyliczył, że Wszechświat nie byłby zdolny do wytworzenia odpowiednich do życiu warunków, jeśli byłby o sekundę młodszy lub starszy niż jest obecnie. W kontekście precyzyjnego dostrojenia wieku Wszechświata mówimy tu o zmianie rzędu 1 na 10¹⁷. Precyzyjne dostrojenie grawitacji jest zatem dziesięć milionów razy bilion, razy bilion, razy bilion bardziej precyzyjne niż wyliczone dla Wszechświata młodszego bądź starszego o sekundę!

Siła elektromagnetyczna

Kolejny aspekt precyzyjnego dostrojenia grawitacji jest widoczny w porównaniu grawitacji z siłą elektromagnetyczną. Każda gwiazda istnieje tylko dzięki równowadze między dwoma siłami – siłą grawitacji, która ciągnie ją w stronę zapadnięcia się, i ciśnienia gazów, które stawiają temu opór.

Jako siła przyrody grawitacja jest prawdziwym słabeuszem. Astrofizycy obliczyli, że doprawdy niewielka siła grawitacji w porównaniu z siłą elektromagnetyczną (grawitacja jest słabsza około 10³⁶ razy, czyli mniej więcej bilion razy bilion razy bilion) stanowi konieczny warunek równowagi między grawitacją a ciśnieniem gwiazdy takiej jak Słońce, niezbędny, aby ta mogła świecić i podtrzymywać życie na planecie takiej jak Ziemia. Jakkolwiek stabilna równowaga sił u którejkolwiek gwiazdy wymaga precyzyjnego dostrojenia stosunku tych sił do wielkości rzędu 1 na 10³⁵³.

W kwestii planet

Generalnie wiemy, że planety są uformowane i utrzymywane w odpowiednich odległościach także przez grawitację oraz że ciężar jakiegokolwiek przedmiotu znajdującego się na powierzchni Ziemi jest proporcjonalny do wielkości ziemskiej siły ciążenia. Ale również atmosfera utrzymywana jest siłą grawitacji, a wielkość tej siły wpływa nawet na jej długoterminowy skład chemiczny. Cząsteczki gazu w atmosferze danej planety mogą uciec w przestrzeń kosmiczną wtedy, gdy ich prędkość przewyższy charakterystyczną dla danej planety tzw. prędkość ucieczki. Niższa siła grawitacji oznacza niższą prędkość ucieczki, co przekłada się na wyższy stopień utraty atmosfery.

Do tego, aby atmosfera okazała się odpowiednia do życiu, niezbędne jest osiągnięcie w jej składzie punktu równowagi, zależnej właśnie od tempa utraty gazów sprzyjających życiu i tych, które je uniemożliwiają. Weźmy przykład metanu, amoniaku i pary wodnej, o przybliżonych masach cząsteczkowych odpowiednio 16, 17 i 18. Średnia prędkość cząsteczki atmosferycznej jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z jej masy cząsteczkowej, dlatego metan i amoniak z czasem mają większe prawdopodobieństwo ucieczki w kosmos niż para wodna. Gdyby grawitacja była nieco inna niż jest, nasza atmosfera mogłaby gromadzić te niekorzystne dla życia gazy albo szybciej tracić niezbędną parę wodną.

Ciekawą analizę wpływu grawitacji powierzchniowej Ziemi na rozwój technologiczny przeprowadził astronom Guillermo Gonzalez. Stwierdził on, że nawet niewielki wzrost siły grawitacji sprawiłby, że loty w kosmos stałyby się wykładniczo trudniejsze:

Wraz ze wzrostem grawitacji powierzchniowej planety ilość paliwa potrzebnego do wyniesienia rakiety w kosmos rośnie w sposób wykładniczy aż do momentu, gdy potrzebna ilość paliwa byłaby tak ogromna, że rakieta nie byłaby w stanie uciec planetarnej sile przyciągania⁴.

Choć analizy te koncentrowały się na trudnościach startów kosmicznych w kontekście egzoplanet typu „super-Ziemia”, to otrzymane wnioski stosują się także wobec dowolnej planety, jeśli siła fundamentalnego oddziaływania grawitacyjnego byłaby większa niż jej obecna wartość.

Dostrajanie wielu pokręteł

Zastanówmy się, czy taka zmiana siły grawitacji mogłaby zostać skompensowana za pomocą innych zmian określonych parametrów lub sił. Jak pokazują astrofizycy Geraint Lewis i Luke Barnes w książce A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos [Wszechświat jako łut szczęścia. Życie w precyzyjnie dostrojonym kosmosie], wszelkie próby kompensowania zmiany jednego parametru za pomocą kolejnych zmian (regulowanie wieloma „pokrętłami” naraz) są problematyczne.

Życie wymaga, aby wiele różnych stałych pozostawało wobec siebie w niezwykłym i precyzyjnie określonym stosunku. […] Oczywiście, jest wiele pokręteł. Ale istnieje też wiele warunków, które muszą zostać spełnione, aby możliwe było życie. Dodawanie kolejnych pokręteł otwiera tu nowe przestrzenie możliwości, ale większość tego obszaru jest martwa⁵.

Bez grawitacji nie byłoby życia w naszym Wszechświecie, a im bardziej szczegółowo badamy jej efekty, tym więcej znajdujemy świadectw na zadziwiająco precyzyjne dostrojenie właściwości, które życie czyni możliwym.

Eric Hedin

Oryginał: The Forces that Shape our Universe: Gravity, „Science & Culture Today” 2025, October 31 [dostęp: 6 II 2026].

Przekład z języka angielskiego: Krystian Brzeski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 6.2.2026

Literatura: