Hvad forårsager tyngdekraften på jorden?

Indhold

• En kort historie om tyngdekraft
• Teorier om tyngdekraft
• Einsteins generelle teori om relativitet
• Jordens tyngdekraft og ud over det

De fleste mennesker, videnskabeligt orienterede eller på anden måde, har i det mindste en vag idé om, at en mængde eller begreb kaldet "tyngdekraft" er det, der holder objekter, inklusive dem selv, bundet til Jorden. De forstår, at dette generelt er en velsignelse, men mindre i visse situationer - f.eks. Når man ligger på en trægren og lidt usikker på, hvordan man kommer uforholdsmæssigt tilbage til jorden, eller når man prøver at sætte en ny personlig rekord i en begivenhed som højdehoppet eller stanghvelvet.

Det er måske svært at sætte pris på selve tyngdekraften, indtil man ser, hvad der sker, når dens indflydelse mindskes eller udslettes, f.eks. Når man ser optagelser af astronauter på en rumstation, der kredser rundt planeten langt fra jordoverfladen. Og sandt nok har fysikere en lille idé om, hvad der i sidste ende "forårsager" tyngdekraften, mere end de kan fortælle nogen af ​​os, hvorfor universet eksisterer i første omgang. Fysikere har imidlertid produceret ligninger, der beskriver, hvad tyngdekraften gør usædvanligt godt, ikke kun på Jorden, men i hele kosmos.

En kort historie om tyngdekraft

For over 2.000 år siden kom de gamle græske tænkere med mange ideer, der stort set har modstået tidens prøve og overlevet til moderniteten. De bemærkede, at fjerne objekter som planeter og stjerner (de sande afstande fra Jorden, som naturligvis observatørerne ikke havde nogen måde at kende på), faktisk var fysisk bundet til hinanden på trods af, at de antagelig ikke havde noget som kabler eller reb, der forbinder dem sammen. Manglende andre teorier foreslog grækerne, at bevægelserne af solen, månen, stjernerne og planeterne blev dikteret af gudernes indfald. (Faktisk kendte alle planeterne i disse dage efter guder.) Selv om denne teori var pæn og afgørende, var den ikke testbar og var derfor ikke andet end en stand-in til en mere tilfredsstillende og videnskabeligt streng forklaring.

Det var først for ca. 300 til 400 år siden, at astronomer som Tycho Brahe og Galileo Galilei anerkendte, at i modsætning til bibelsk lære så tæt på 15 århundreder gamle, drejede Jorden og planeterne sig omkring solen i stedet for at Jorden var ved universets centrum. Dette banede vejen for udforskning af tyngdekraften, som det for tiden forstås.

Teorier om tyngdekraft

En måde at tænke på gravitationsattraktionen mellem genstande, udtrykt af den sene teoretiske fysiker Jacob Bekenstein i et essay for CalTech, er som "kræfter i lang rækkevidde, som elektrisk neutrale kropper udøver på hinanden på grund af deres stofindhold." Det vil sige, at selvom genstande kan opleve en kraft som et resultat af forskelle i elektrostatisk ladning, resulterer tyngdekraften i stedet for en kraft på grund af ren masse. Teknisk set læser du og computeren, telefonen eller tablet dette under tyngdekræfter på hinanden, men du og din internetaktiverede enhed er så lille, at denne kraft næsten ikke kan påvises. For objekter i skala fra planeter, stjerner, hele galakser og endda klynger af galakser er det naturligvis en anden historie.

Isaac Newton (1642-1727), der blev krediteret for at være en af ​​de mest strålende matematiske sind i historien, og en af ​​medopfinderne af feltet med beregning, foreslog, at tyngdekraften mellem to objekter er direkte proportional med deres produkt masser og omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem dem. Dette har form af ligningen:

F_grav = (G × m₁ × m₂) / R²

hvor F_grav er tyngdekraften i newton, m₁ og m₂ er masserne af objekterne i kilogram, r er afstanden, der adskiller objekterne i meter, og værdien af ​​proportionalitetskonstanten G er 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Mens denne ligning fungerer fremragende til dagligdags formål, formindskes dens værdi, når de pågældende objekter er relativistiske, dvs. beskrevet af masser og hastigheder langt uden for den typiske menneskelige oplevelse. Det er her Einsteins teori om tyngdekraft kommer ind.

Einsteins generelle teori om relativitet

I 1905 udgav Albert Einstein, hvis navn måske er det mest genkendelige i videnskabshistorien og det mest synonyme med genius-niveau-feats, sin specielle relativitetsteori. Blandt andre effekter, dette havde på den eksisterende krop af fysikviden, rejste det spørgsmålstegn ved antagelsen indbygget i Newtons tyngdekoncept, hvilket er, at tyngdekraften i virkelighed opereres øjeblikkeligt mellem objekter uanset hvor omfattende deres adskillelse er. Efter Einsteins-beregninger blev det konstateret, at lysets hastighed, 3 × 10⁸ m / s eller ca. 186.000 miles pr. sekund, placerede en øvre grænse for, hvor hurtigt noget kunne forplantes gennem rummet, Newtons-ideer pludselig så sårbare ud, i det mindste i visse tilfælde. Med andre ord, mens Newtonian gravitationsteori fortsatte med at fungere beundringsværdigt i næsten alle tænkelige ulemper, var det helt klart ikke en universelt sand beskrivelse af tyngdekraften.

Einstein brugte de næste 10 år på at formulere en anden teori, en, der ville forene Newtons grundlæggende tyngdekraftsramme med den øverste grænse for hastigheden af ​​lys pålagt eller syntes at pålægge alle processer i universet. Resultatet, som Einstein introducerede i 1915, var den generelle relativitetsteori. Triumf for denne teori, der danner grundlaget for alle gravitationsteorier til i dag, er, at den indrammede gravitationen som en manifestation af rumtidens krumning, ikke som en kraft i sig selv. Denne idé var ikke helt ny; matematikeren Georg Bernhard Riemann havde produceret beslægtede ideer i 1854. Men Einstein havde således omdannet gravitationsteori fra noget, der kun var rodfæstet i fysiske kræfter, til en mere geometribaseret teori: Den foreslog en de facto fjerde dimension, tid, til at ledsage de tre rumlige dimensioner det var allerede kendt.

Jordens tyngdekraft og ud over det

En af implikationerne af Einsteins generelle relativitetsteori er, at tyngdekraften opererer uafhængigt af massen eller den fysiske sammensætning af genstande. Dette betyder, at en kanonkugle og en marmor, der falder ned fra toppen af ​​en skyskraber, blandt andet falder mod jorden med samme hastighed, accelereret i nøjagtigt samme omfang af tyngdekraften på trods af, at den ene er langt mere massiv end den anden . (Det er vigtigt at bemærke for fuldstændighedens skyld, at dette kun er teknisk sandt i et vakuum, hvor luftmotstand ikke er et problem. En fjer falder tydeligvis langsommere end et skud, der gøres, men i et vakuum ville dette ikke være tilfældet .) Dette aspekt af Einsteins-ideen var testbar nok. Men hvad med relativistiske situationer?

I juli 2018 afsluttede et internationalt team af astronomer en undersøgelse af et tredobbelt-stjernet system 4.200 lysår fra Jorden. Et lysår, hvoraf afstanden lys kører i et år (ca. 6 billioner miles), betyder det, at astronomerne her på Jorden observerede lys afslørende fænomener, der faktisk forekom i ca. 2.200 f.Kr. Dette usædvanlige system består af to små, tætte stjerner - den ene en "pulsar", der spinder på sin akse 366 gange i sekundet, og den anden en hvid dværg - der kredser om hinanden med en bemærkelsesværdig kort periode på 1,6 dage. Dette par kretser igen om en fjernere hvid dværgstjerne hver 327 dage. Kort sagt, den eneste beskrivelse af tyngdekraften, der kunne forklare de gensidige frenetiske bevægelser af de tre stjerner i dette meget usædvanlige system, var Einsteins generelle relativitetsteori - og ligningerne passede faktisk perfekt sammen.