Hvad forårsager tyngdekraften på jorden?

De fleste mennesker, videnskabeligt orienterede eller på anden måde, har i det mindste en vag idé om, at en mængde eller et koncept kaldet "tyngdekraft" er det, der holder genstande, inklusive dem selv, bundet til Jorden. De forstår, at dette er en velsignelse generelt, men mindre i visse situationer - sig, når de ligger på en trægren og lidt usikker på, hvordan man kommer uskadt tilbage til jorden, eller når man prøver at sætte en ny personlig rekord i en begivenhed som højdespring eller stangen hvælving.

Det er måske svært at forstå begrebet tyngdekraft i sig selv, før man ser hvad der sker, når dens indflydelse mindskes eller udslettet, som når man ser optagelser af astronauter på en rumstation, der kredser om planeten langt fra jordens overflade. Og i virkeligheden har fysikere lidt anelse 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.

For over 2000 år siden kom de antikke græske tænkere med mange ideer, der stort set har modstået tidstesten og overlevet til moderniteten. De mærkede, at fjerne objekter såsom planeter og stjerner (de sande afstande fra Jorden, som observatørerne selvfølgelig ikke havde nogen måde at var faktisk fysisk bundet til hinanden på trods af formodentlig intet som kabler eller reb, der forbinder dem sammen. Fraværende andre teorier foreslog grækerne, at bevægelserne fra solen, månen, stjernerne og planeterne blev dikteret af gudernes luner. (Faktisk ved alle planeterne i disse dage, at de blev opkaldt efter guder.) Selvom denne teori var pæn og afgørende, er den var ikke testbar og var derfor ikke mere end en stand-in for en mere tilfredsstillende og videnskabeligt streng forklaring.

Først for omkring 300 til 400 år siden erkendte astronomer som Tycho Brahe og Galileo Galilei det i modsætning til bibelsk lærdomme, der var tæt på 15 århundreder gamle, drejede jorden og planeterne sig om solen, snarere end at Jorden var i centrum af univers. Dette banede vejen for udforskning af tyngdekraften, som det i øjeblikket forstås.

En måde at tænke på tyngdekraften mellem objekter, udtrykt af den afdøde teoretiske fysiker Jacob Bekenstein i en historie for CalTech er det som "kræfter med lang rækkevidde, som elektrisk neutrale kroppe udøver på hinanden på grund af deres stofindhold." Det er, mens 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 udøver du og computeren, telefonen eller tabletten, du læser dette på, tyngdekræfter på hinanden, men du og din internetaktiverede enhed er så små, at denne kraft næsten er uopdagelig. Det er klart, at for objekter på skalaen af ​​planeter, stjerner, hele galakser og endda klynger af galakser er det en anden historie.

Isaac Newton (1642-1727), krediteret for at være en af ​​de mest geniale matematiske sind i historien og en af ​​medopfinderne af beregningsfeltet, foreslog at tyngdekraften mellem to objekter er direkte proportional med produktet af deres masser og omvendt proportional med kvadratet af afstanden mellem dem. Dette tager form af ligningen:

hvor F_grav er tyngdekraften i newton, m₁ og m₂ er masserne af objekterne i kg, 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 hverdagsformål, mindskes dens værdi, når objekterne kommer ind spørgsmål er relativistiske, dvs. beskrevet af masser og hastigheder langt uden for det typiske menneske erfaring. Det er her Einsteins gravitationsteori kommer ind.

I 1905 offentliggjorde Albert Einstein, hvis navn måske er den mest genkendelige i videnskabshistorien og det mest synonyme med geni-niveau bedrifter, sin specielle relativitetsteori. Blandt andre virkninger dette havde på den eksisterende krop af fysikskendskab, satte den spørgsmålstegn ved antagelsen indbygget i Newtons begrebet tyngdekraft, hvilket er, at tyngdekraften faktisk fungerer øjeblikkeligt mellem objekter uanset deres enorme størrelse adskillelse. Efter Einsteins beregninger fastslog det, at lysets hastighed, 3 × 10⁸ m / s eller ca. 186.000 miles i sekundet, placerede en øvre grænse for, hvor hurtigt noget kunne spredes gennem rummet, så Newtons ideer pludselig sårbare ud, i det mindste i visse tilfælde. Med andre ord, mens Newtons gravitationsteori fortsatte med at udføre beundringsværdigt i næsten alle tænkelige sammenhænge, ​​var det tydeligvis ikke en universelt sand beskrivelse af tyngdekraften.

Einstein tilbragte de næste 10 år med at formulere en anden teori, der kunne afstemme Newtons grundlæggende tyngdekraft ramme med den øvre grænse lysets hastighed pålagt eller syntes at pålægge alle processer i universet. Resultatet, som Einstein introducerede i 1915, var den generelle relativitetsteori. Denne teoris triumf, som danner grundlaget for alle gravitationsteorier til i dag, er den det indrammede begrebet tyngdekraft som en manifestation af rumtidens krumning, ikke som en kraft pr se. Denne idé var ikke helt ny; matematikeren Georg Bernhard Riemann havde produceret relaterede ideer i 1854. Men Einstein havde således transformeret gravitationsteori fra noget, der udelukkende var rodfæstet i fysiske kræfter, til et mere geometri-baseret teori: Den foreslog en de facto fjerde dimension, tid, der skulle ledsage de tre rumlige dimensioner, der var allerede kendt.

En af konsekvenserne af Einsteins generelle relativitetsteori er, at tyngdekraften fungerede uafhængigt af genstandens masse eller fysiske sammensætning. Dette betyder, at blandt andet en kanonkugle og en marmor, der er faldet fra toppen af ​​en skyskraber, vil falde ned mod jorden kl. den samme hastighed, accelereret i nøjagtig samme grad 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 tilfældet i et vakuum, hvor luftmodstand ikke er et problem. En fjer falder tydeligvis langsommere, end en kuglestød gør, men i et vakuum ville dette ikke være tilfældet.) Dette aspekt af Einsteins idé var testbar nok. Men hvad med relativistiske situationer?

I juli 2018 afsluttede et internationalt team af astronomer en undersøgelse af et tredobbelt stjernesystem 4.200 lysår fra jorden. Et lysår, der er den afstand, lyset bevæger sig om et år (ca. seks billioner miles), det betyder, at astronomerne her på Jorden var observere lysafslørende fænomener, der faktisk opstod omkring 2.200 f.Kr. Dette usædvanlige system består af to små, tætte stjerner - en a "pulsar" spinder på sin akse 366 gange i sekundet, og den anden en hvid dværg - kredser om hinanden med en bemærkelsesværdig kort periode på 1,6 dage. Dette par kredser igen en mere fjern hvid dværgstjerne hver 327 dage. Kort sagt, den eneste beskrivelse af tyngdekraften, der kunne redegøre for de gensidige frenetiske bevægelser af de tre stjerner i dette meget usædvanligt system var Einsteins generelle relativitetsteori - og ligningerne passede faktisk til situationen perfekt.