Tajemnice Ziemi. Skąd wiemy, że jest okrągła i co nas przyciąga?

Ziemia to szczęśliwa planeta. To właśnie tu, a nie w innym zakątku Układu Słonecznego wykształciły się warunki środowiskowe korzystne do podtrzymania, najprawdopodobniej przyniesionego z kosmosu, życia. Co jest w Ziemi wyjątkowego?

Naukowcy uparcie poszukują życia pozaziemskiego. Praktycznie każdego dnia są odkrywane nowe planety, a niewykluczone także, że wśród obiektów krążących wokół Słońca mogą istnieć albo przynajmniej istniały kiedyś organizmy żywe. Niedawno potwierdzono występowanie wody w stanie płynnym na Marsie, co otwiera wachlarz nowych możliwości. Ale jaka jest szansa na to, że kosmici – gdziekolwiek istnieją – będą nam przyjaźni?

Spoglądamy daleko w kosmos, a wciąż nie wiemy wszystkiego o naszym świecie. Przecież nie jesteśmy właścicielami Ziemi, a jedynie jej rezydentami. Skąd pochodzą wszystkie podstawowe informacje o naszej planecie?

Skąd wiemy, że Ziemia jest okrągła?

To, że Ziemia jest okrągła wcale nie jest takie oczywiste. Od najdawniejszych czasów ludzkość zastanawiała się, jak wygląda zamieszkiwany przez nią świat, a miejsca Ziemi we Wszechświecie przez długi sposób nie można było rozszyfrować.

Jako pierwszy wielkość Ziemi oszacował Eratostenes w 240 r. p. n. e. Podczas letniego przesilenia pionowy słup w Syene (dzisiaj Ausan w Egipcie) nie rzucał cienia, gdyż Słońce znajdowało się pionowo nad głową. Ale z kolei słup w Aleksandrii rzucał cień. Okazało się, że Słońce w Aleksandrii jest odchylone o 7 stopni od pionu (to ok. 1/50 pełnego okręgu). Odległość od Syene do Aleksandrii była znana, więc Eratostenes obliczył, że obwód Ziemi to ok. 39 tys. km. Pomylił się zaledwie o 1000 km.

Poza pofałdowaniami pod postacią gór Ziemia wydaje się płaska. Dzieje się tak dlatego, że powierzchnia naszej planety jest ogromna, a jej krzywizna jest niezauważalna. Zanim jednak powszechnie dostępne stały się zdjęcia Ziemi z kosmosu, dowodów na jej okrągły kształt trzeba było szukać gdzie indziej. Jest ich całkiem sporo w zjawiskach obserwowanych na co dzień.

Statki na morzu znikają za horyzontem, choć są wciąż dostrzegalne. Na płaskiej Ziemi zmalałyby do wielkości punktów. Z kolei podczas zaćmienia Księżyca, kiedy Ziemia przechodzi między Słońcem i Księżycem, cień naszej planety padający na Srebrny Glob jest zakrzywiony. A z kolei, gdy się poleci lub popłynie wystarczająco długo w jednym kierunku, w końcu wróci się do punktu startowego.

Co ciekawe, nawet odległości pokonywane samolotem między dowolnymi czterema miastami – z pierwszego do drugiego, z drugiego do trzeciego, itd. – potwierdzają kulisty kształt Ziemi. Gdyby nasza planeta byłaby płaska, wyglądałoby to inaczej.

Warto przypomnieć, że w rzeczywistości nasza planeta nie jest idealną kulą. Na równiku powierzchnia planety wiruje z prędkością 1700 km/h, co sprawia, że obwód wybrzusza się. Niejednolita struktura płynnego wnętrza Ziemi sprawia, że średni poziom skorupy ziemskiej jest falisty, tworząc guzkowatą figurę zwaną geoidą. Nasza planeta ma kształt geoidy.

A dlaczego nie odlatujemy w kosmos?

Ale kulisty kształt Ziemi nie jest jedynym powodem, dla którego nasze pojazdy, budynki i my sami, nie odlatujemy w przestrzeń kosmiczną. Na wszystko, co znamy, oddziałuje siła grawitacji. Jest ona obecna na Ziemi oraz wszędzie we Wszechświecie. Zgodnie z najnowszymi obserwacjami fizyków, jest to najbardziej uniwersalna siła w znanym nam Uniwersum.

Siła grawitacji oddziałuje między Tobą, drogi maniaKu, oraz wszystkim, co znajduje się obok – nawet między Tobą a muchą, która usiadła Ci na ramieniu. Ale grawitacja jest dosyć słabą siłą. Można to zaobserwować wyciągając rękę do przodu – grawitacja całej materii, z której zbudowana jest Ziemia, nie jest w stanie ściągnąć jej w dół.

Grawitacja – choć słaba – rośnie wraz z masą. W przypadku ciał o małych masach jest zazwyczaj pomijalna, w odniesieniu do ciał niebieskich – Ziemi, Słońca, galaktyki, mgławicy – trzeba brać ją pod uwagę. Ponieważ grawitacja to oddziaływanie wzajemne – Ziemia przyciąga Ciebie, Ty nie pozostajesz dłużny naszej planecie. Na Ziemię Twoje oddziaływanie ma niewielki wpływ, gdyż jest ona znacznie większa i poruszenie jej wymagałoby ogromnej siły.

To grawitacja sprawia, że nasze stopy trzymają się mocno gruntu (choć niektórzy bujają w obłokach) i utrzymuje Księżyc na stałej orbicie wokół naszej planety. Z ruchu Księżyca Newton wywnioskował, że grawitacja słabnie wraz z kwadratem odległości między masami – dwa razy większa odległość to cztery razy słabsza grawitacja, itd. Newton udowodnił także, że orbita planety pod wpływem „prawa odwróconych kwadratów” rządzącego grawitacją uzyskuje kształt eliptyczny, który zauważył już Kepler.

Newton jedynie naszkicował zachowanie się grawitacji – pełniejszy jej obraz podał Einstein, który w październiku 1915 r. ogłosił ogólną teorię względności. Według Einsteina, materia (energia) determinuje jak ma zakrzywiać się czasoprzestrzeń, z kolei zakrzywiona czasoprzestrzeń (grawitacja) determinuje ruch materii.

Oznacza to, że Ziemia tworzy swoiste zagłębienie w czasoprzestrzeni podobne do zagłębienia, jakie robi w trampolinie kula do kręgli. Inne masy – ja, Ty czy wszyscy ludzie – wpadają w to zagłębienie. Nie sposób przed tym uciec.

Ale ani Einstein, ani Newton nie zgadywali, czym tak naprawdę jest ta osławiona grawitacja. Fizycy przez długi czas wierzyli, że grawitacja polega na wymianie cząstek elementarnych (tzw. grawitonów), podobnie jak wymienia się piłeczką tenisową podczas seta. Niestety, do tej pory nikomu nie udało się stworzyć satysfakcjonującego opisu grawitacji przy pomocy grawitonów. Kwantowa teoria grawitacji wciąż czeka na opracowanie.

Wszystko to potwierdza, jak niewiele wciąż wiemy o Ziemi i jej miejscu we Wszechświecie. Ale czego innego spodziewać się od nas, rezydentów?