Jak działa zasada zachowania energii w obecności pola grawitacyjnego?

Pytanie

Pyta Kacper

Jak działa zasada zachowania energii w obecności pola grawitacyjnego? W jaki sposób obiekty nawzajem wprawiają się w ruch?

Odpowiedź

Odpowiada Bartosz Prech

W ramach teorii grawitacji Newtona, czyli teorii nierelatywistycznej, energia całkowitego oddziaływania dwóch ciał o masach $m_1$ oraz $m_2$ wyraża się wzorem:

$$ E=\frac{1}{2}m_1\dot{\vec{r_1}}{\,^2}+\frac{1}{2}m_2\dot{\vec{r_2}}{\,^2}-\frac{Gm_1 m_2}{r^2} $$

gdzie $\vec{r_1}$, $\vec{r_2}$ to wektory położenia środka masy mas $m_1$ i $m_2$ (które często można utożsamić z samym położeniem ciała, gdyż zazwyczaj pomijamy jego rozmiary), $\dot{\vec{r_1}}$, $\dot{\vec{r_2}}$ to ich prędkości (kropka nad wektorem oznacza jego pochodną po czasie, czyli właśnie prędkość w przypadku wektora położenia), a $r$ to względna odległość między obiektami. Pierwsze dwa wkłady do napisanej wielkości to energie kinetyczne ciał, natomiast ostatni wkład to energia grawitacyjna oddziaływania (czyli energia grawitacji dla dwóch mas jest ujemna). Wielkość $E$ jest zachowana i ma interpretację energii.

Jeśli ciała początkowo spoczywały, to ustawione w pewnej odległości od siebie tak, żeby ich energia grawitacji nie była zaniedbywalna, zaczną na siebie spadać (tzn. zbliżać się do siebie), a za ich wzrastającą prędkość (więc i energię kinetyczną) jest odpowiedzialna zmiana energii grawitacji – energia grawitacyjna jest przekształcana na energię kinetyczną. Natomiast w przyrodzie raczej nie zdarza się, żeby planety znalazły się nieruchome obok siebie. Znacznie częściej planety czy gwiazdy zaczynają ze sobą oddziaływać mając jakąś niezerową prędkość względną, tzn. ich układ (dwóch ciał) ma niezerowy moment pęduW takim przypadku ciała mogą zacząć wokół siebie rotować i to właśnie niezerowa wartość momentu pędu powoduje, że ciała nie spadną na siebie, ale będą wokół siebie wirowały. Ich względna odległość będzie się zmieniać w czasie (można pokazać, że będzie ona również zależna od kąta między ciałami) i energia kinetyczna obiektów dalej będzie się wraz z energią grawitacyjną sumować do stałej wartości $E$, jednak oba wkłady będą się zmieniały w czasie. Wniosek pozostaje taki sam – ciała we względnym ruchu mogą się wzajemnie przyspieszać, mogą się do siebie zbliżać i oddalać zależnie od wartości sumarycznej energii i momentu pędu, jednak do wzajemnego ruchu potrzebna jest energia grawitacyjna ich wzajemnego oddziaływania, która związana jest bezpośrednio z posiadaniem masy.

Należy natomiast zaznaczyć, że uogólnieniem teorii Newtona jest ogólna teoria względności Einsteina, która dostarcza pełniejszego opisu oddziaływania między masami i tego jak wprawiają one siebie w ruch. W tej teorii energia oddziaływań między dwoma masami jest magazynowana w polu grawitacyjnym (które można rozumieć jako szczególną własność czasoprzestrzeni) i ciała poruszając się zmieniają rozkład tego pola – informacja o ruchu jednego ciała dociera do drugiej masy poprzez to pole, z pewnym opóźnieniem. Lokalnie dalej suma energii kinetycznych ciał i energii zmagazynowanej w polu  jest zachowana. Okazuje się jednak, że analizując równania Einsteina można policzyć, iż globalnie energia Wszechświata nie jest stała i rośnie (choć bardzo powoli).

Podsumowując, obiekty wprawiają się w ruch wykorzystując energię potencjalną grawitacji (która albo jest rozumiana jako energia oddziaływań dwóch mas, albo jako zmagazynowana energia w polu grawitacyjnym). Lokalnie energia jest zachowana, toteż zwiększeniu energii ruchu ciał odpowiada spadek energii potencjalnej grawitacji i odwrotnie. Natomiast konsekwencją teorii względności jest to, że globalnie energia Wszechświata wzrasta, i problem zachowania energii w polu grawitacyjnym znacznie się komplikuje.