Innehåll
- En kort historia om gravitationen
- Teorier om tyngdkraft
- Einsteins allmänna relativitetsteori
- Jordens tyngdekraft och bortom
De flesta människor, vetenskapligt orienterade eller på annat sätt, har åtminstone en vag idé om att någon mängd eller begrepp som kallas "tyngdkraft" är det som håller föremål, inklusive dem själva, bundna till jorden. De förstår att det här är en välsignelse i allmänhet, men mindre i vissa situationer - säger när de ligger på en trädgren och lite osäker på hur man kan komma tillbaka till marken oskadad, eller när man försöker sätta en ny personlig rekord i en händelse som höjdhoppet eller polvalvet.
Det är kanske svårt att uppskatta tyngdkraften i sig förrän man ser vad som händer när dess inflytande minskas eller utplånas, till exempel när man tittar på bilder av astronauter på en rymdstation som kretsar runt planeten långt från jordens yta. Och i själva verket har fysiker liten uppfattning om vad som i slutändan "orsakar" allvar, mer än de kan berätta för någon av oss varför universum i första hand existerar. Fysiker har emellertid producerat ekvationer som beskriver vad tyngdkraften gör exceptionellt bra, inte bara på jorden utan i hela kosmos.
En kort historia om gravitationen
För över 2000 år sedan kom de antika grekiska tänkarna med många idéer som till stor del har motstått tidens test och överlevt till modernitet. De upptäckte att avlägsna föremål som planeter och stjärnor (de verkliga avstånden från jorden, som naturligtvis observatörerna inte hade något sätt att veta) i själva verket var fysiskt bundna till varandra trots att de antagligen inte hade något som kablar eller rep som förbinder dem tillsammans. I frånvaro av andra teorier föreslog grekerna att rörelserna från solen, månen, stjärnorna och planeterna skulle dikteras av gudarnas nycklar. (Faktum är att alla planeterna som känner till i dessa dagar fick sitt namn efter gudar.) Även om denna teori var snygg och avgörande, var den inte testbar och var därför inte mer än en stand-in för en mer tillfredsställande och vetenskapligt rigorös förklaring.
Det var först för cirka 300 till 400 år sedan som astronomer som Tycho Brahe och Galileo Galilei insåg att, i motsats till den bibliska läran då nära 15 århundraden gamla, kretsade jorden och planeterna kring solen, snarare än att jorden var vid universumets centrum. Detta banade vägen för utforskningar av tyngdkraften som det för närvarande förstås.
Teorier om tyngdkraft
Ett sätt att tänka på gravitationsattraktionen mellan föremål, uttryckt av den sena teoretiska fysikern Jacob Bekenstein i en uppsats för CalTech, är som "långsträckta krafter som elektriskt neutrala kroppar utövar på varandra på grund av deras innehåll." Det vill säga, medan föremål kan uppleva en kraft som ett resultat av skillnader i elektrostatisk laddning, resulterar gravitationen istället i en kraft på grund av ren massa. Tekniskt sett läser du och datorn, telefonen eller surfplattan det här för att utöva gravitationskrafter på varandra, men du och din Internet-aktiverade enhet är så liten att denna kraft är praktiskt taget oupptäckbar. För föremål på planeter, stjärnor, hela galaxer och till och med kluster av galaxer är det uppenbarligen en annan historia.
Isaac Newton (1642-1727), krediterad för att vara en av de mest lysande matematiska sinnen i historien och en av meduppfinnarna av kalkylfältet, föreslog att tyngdkraften mellan två objekt är direkt proportionell mot produkten från deras massor och omvänt proportionell mot kvadratet för avståndet mellan dem. Detta har formen av ekvationen:
Fgrav = (G × m1 × m2) / R2
där Fgrav är gravitationskraften i newton, m1 och M2 är massorna av föremålen i kilogram, r är avståndet som separerar föremålen i meter och värdet på proportionalitetskonstanten G är 6,67 × 10-11 (N 'm2) / kg2.
Medan denna ekvation fungerar utmärkt för vardagliga ändamål, minskas dess värde när objekten i fråga är relativistiska, det vill säga beskrivs av massor och hastigheter långt utanför den typiska mänskliga upplevelsen. Det är här Einsteins gravitationsteori kommer in.
Einsteins allmänna relativitetsteori
År 1905 publicerade Albert Einstein, vars namn kanske är det mest kännbara i vetenskapshistorien och den mest synonyma med geniusnivåer, sin speciella relativitetsteori. Bland andra effekter som detta hade på den befintliga kroppen av fysikkunskap, ifrågasatte det antagandet inbyggt i Newtons tyngdkraft, vilket är att tyngdkraften verkar omedelbart mellan föremål oavsett hur stor deras separation är. Efter Einsteins beräkningar konstaterade att ljusets hastighet, 3 × 108 m / s eller cirka 186 000 miles per sekund, placerade en övre gräns för hur snabbt något skulle kunna spridas genom rymden, Newtons idéer såg plötsligt sårbara ut, åtminstone i vissa fall. Med andra ord, medan Newtonian gravitationsteori fortsatte att prestera beundransvärt i nästan alla tänkbara nackdelar, var det uppenbarligen inte en universellt sann beskrivning av tyngdkraften.
Einstein tillbringade de kommande tio åren på att formulera en annan teori, en som skulle förena Newtons grundläggande tyngdkraftsram med den övre gränsen för hastigheten på ljuset som infördes, eller tycktes påtvinga, alla processer i universum. Resultatet, som Einstein introducerade 1915, var den allmänna relativitetsteorin. Triumf för denna teori, som ligger till grund för alla gravitationsteorier fram till idag, är att den inramade gravitationsbegreppet som ett manifestation av rymdtidens krökning, inte som en kraft i sig. Denna idé var inte helt ny; matematikern Georg Bernhard Riemann hade producerat relaterade idéer 1854. Men Einstein hade alltså förvandlat gravitationsteori från något som är rotat rent i fysiska krafter till en mer geometri-baserad teori: Det föreslog en de facto fjärde dimension, tid, för att följa de tre rumsliga dimensionerna som redan var bekanta.
Jordens tyngdekraft och bortom
En av implikationerna av Einsteins allmänna relativitetsteori är att tyngdkraften fungerade oberoende av föremålens massa eller fysiska sammansättning. Detta innebär att bland annat en kanonboll och en marmor som tappas från toppen av en skyskrapa kommer att falla mot marken med samma hastighet, accelererad i exakt samma utsträckning av tyngdkraften trots att den ena är mycket mer massiv än den andra . (Det är viktigt att för fullständighetens skull notera att detta endast är tekniskt sant i ett vakuum, där luftmotstånd inte är ett problem. En fjäder faller tydligt långsammare än vad ett skott sätter, men i ett vakuum skulle detta inte vara fallet .) Denna aspekt av Einsteins-idén var testbar nog. Men hur är det med relativistiska situationer?
I juli 2018 avslutade ett internationellt team av astronomer en studie av ett trippelstjärnsystem 4.200 ljusår från jorden. Ett ljusår som avståndsljuset reser på ett år (ungefär sex biljoner mil), betyder detta att astronomerna här på jorden observerade ljus avslöjande fenomen som faktiskt inträffade i cirka 2 200 f.Kr. Detta ovanliga system består av två små, täta stjärnor - en en "pulsar" som snurrar på sin axel 366 gånger per sekund, och den andra en vit dvärg - som kretsar om varandra med en anmärkningsvärt kort period på 1,6 dagar. Detta par kretsar i sin tur om en mer avlägsen vit dvärgstjärna var 327 dagar. Kort sagt, den enda beskrivningen av tyngdkraften som kunde redogöra för de ömsesidiga frenetiska rörelserna för de tre stjärnorna i detta mycket ovanliga system var Einsteins allmänna relativitetsteori - och ekvationerna passar i själva verket situationen perfekt.