Was verursacht die Schwerkraft auf der Erde?

Die meisten Menschen, wissenschaftlich orientiert oder nicht, haben zumindest eine vage Vorstellung, dass eine Quantität oder ein Konzept namens "Schwerkraft" Objekte, einschließlich sich selbst, an die Erde gebunden hält. Sie verstehen, dass dies im Allgemeinen ein Segen ist, aber in bestimmten Situationen weniger – zum Beispiel, wenn sie auf einem Ast sitzen und ein wenig unsicher, wie man unbeschadet auf den Boden zurückkommt, oder beim Versuch, einen neuen persönlichen Rekord bei einem Ereignis wie dem Hochsprung oder der Stange aufzustellen Gewölbe.

Es ist vielleicht schwierig, den Begriff der Schwerkraft selbst zu verstehen, bis man sieht, was passiert, wenn ihr Einfluss nachlässt oder ausgelöscht, wie zum Beispiel beim Betrachten von Aufnahmen von Astronauten auf einer Raumstation, die den Planeten weit entfernt von der Erde umkreist Oberfläche. Und in Wahrheit haben Physiker wenig Ahnung davon, was letztendlich die Gravitation "verursacht", ebenso wenig wie sie jedem von uns sagen können, warum das Universum überhaupt existiert. Physiker haben jedoch Gleichungen erstellt, die beschreiben, was die Schwerkraft außergewöhnlich gut macht, nicht nur auf der Erde, sondern im gesamten Kosmos.

Vor über 2.000 Jahren haben die antiken griechischen Denker viele Ideen entwickelt, die die Zeit weitgehend überdauert haben und bis in die Moderne überdauert haben. Sie erkannten, dass weit entfernte Objekte wie Planeten und Sterne (deren wahre Entfernungen von der Erde natürlich die Beobachter nicht hatten) des Wissens) waren tatsächlich physisch aneinander gebunden, obwohl sie vermutlich nichts wie Kabel oder Seile hatten zusammen. In Ermangelung anderer Theorien schlugen die Griechen vor, dass die Bewegungen der Sonne, des Mondes, der Sterne und der Planeten von den Launen der Götter diktiert wurden. (Tatsächlich wurden alle Planeten, die man damals kennt, nach Göttern benannt.) Diese Theorie war zwar sauber und entscheidend, aber sie war nicht überprüfbar und war daher nur ein Ersatz für eine befriedigendere und wissenschaftlich rigorosere Erläuterung.

Erst vor etwa 300 bis 400 Jahren erkannten Astronomen wie Tycho Brahe und Galileo Galilei, dass im Gegensatz zu biblischen Lehren, die damals fast 15 Jahrhunderte alt waren, drehten sich die Erde und die Planeten um die Sonne, anstatt dass die Erde im Zentrum der Universum. Dies ebnete den Weg für die Erforschung der Schwerkraft, wie sie derzeit verstanden wird.

Eine Möglichkeit, sich die Gravitationsanziehung zwischen Objekten vorzustellen, ausgedrückt durch den verstorbenen theoretischen Physiker Jacob Bekenstein in einer Aufsatz für CalTech als "Fernkräfte, die elektrisch neutrale Körper aufgrund ihres Materiegehalts aufeinander ausüben". Das ist, Während Objekte aufgrund von Unterschieden in der elektrostatischen Aufladung eine Kraft erfahren können, führt die Schwerkraft stattdessen zu einer Kraft aufgrund von Scherkraft Masse. Technisch gesehen üben Sie und der Computer, das Telefon oder das Tablet, auf dem Sie dies lesen, Gravitationskräfte aus einander, aber Sie und Ihr internetfähiges Gerät sind so klein, dass diese Kraft praktisch ist unauffindbar. Bei Objekten in der Größenordnung von Planeten, Sternen, ganzen Galaxien und sogar Galaxienhaufen sieht es natürlich anders aus.

Isaac Newton (1642-1727), der als einer der brillantesten mathematischen Köpfe der Geschichte und als einer der Miterfinder der Infinitesimalrechnung gilt, schlug vor dass die Schwerkraft zwischen zwei Objekten direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen Sie. Dies hat die Form der Gleichung:

wo F_schwer ist die Gravitationskraft in Newton, m₁ und M₂ sind die Massen der Objekte in Kilogramm, r ist der Abstand zwischen den Objekten in Metern und der Wert der Proportionalitätskonstante G beträgt 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²)/kg².

Während diese Gleichung für alltägliche Zwecke hervorragend funktioniert, wird ihr Wert verringert, wenn die Objekte in Frage sind relativistisch, d. h. durch Massen und Geschwindigkeiten beschrieben, die weit außerhalb des typischen Menschen liegen Erfahrung. Hier kommt Einsteins Gravitationstheorie ins Spiel.

Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein, dessen Name vielleicht der bekannteste in der Geschichte der Wissenschaft und das Synonym für geniale Leistungen ist, seine spezielle Relativitätstheorie. Dies hatte unter anderem Auswirkungen auf das vorhandene physikalische Wissen und stellte die in Newtons Konzept der Schwerkraft, das heißt, dass die Schwerkraft tatsächlich augenblicklich zwischen Objekten wirkt, unabhängig von der Weite ihrer Trennung. Nachdem Einsteins Berechnungen festgestellt hatten, dass die Lichtgeschwindigkeit 3 ​​× 10⁸ m/s oder etwa 186.000 Meilen pro Sekunde, eine Obergrenze dafür, wie schnell sich etwas durch den Weltraum ausbreiten konnte, wirkten Newtons Ideen plötzlich verletzlich, zumindest in bestimmten Fällen. Mit anderen Worten, während die Newtonsche Gravitationstheorie in fast allen erdenklichen Kontexten weiterhin bewundernswerte Leistungen erbrachte, war sie eindeutig keine universell zutreffende Beschreibung der Gravitation.

Einstein verbrachte die nächsten 10 Jahre damit, eine andere Theorie zu formulieren, eine, die Newtons grundlegende Gravitation in Einklang bringen würde Rahmen mit der oberen Grenze der Lichtgeschwindigkeit, die allen Prozessen im Universum auferlegt oder zu sein schien. Das Ergebnis, das Einstein 1915 einführte, war die Allgemeine Relativitätstheorie. Der Triumph dieser Theorie, die bis heute die Grundlage aller Gravitationstheorien bildet, ist, dass es rahmte das Konzept der Gravitation als Manifestation der Krümmung der Raumzeit ein, nicht als Kraft pro force se. Diese Idee war nicht ganz neu; der Mathematiker Georg Bernhard Riemann hatte 1854 ähnliche Ideen entwickelt. Aber Einstein hatte damit die Gravitationstheorie von etwas, das rein in physikalischen Kräften verwurzelt ist, in eine mehr verwandelt Geometrie-basierte Theorie: Sie schlug eine de facto vierte Dimension vor, die Zeit, um die drei räumlichen Dimensionen zu begleiten, die schon vertraut.

Eine der Implikationen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist, dass die Gravitation unabhängig von der Masse oder der physikalischen Zusammensetzung von Objekten funktioniert. Dies bedeutet, dass unter anderem eine Kanonenkugel und eine Murmel, die von der Spitze eines Wolkenkratzers fallen gelassen werden, um zu Boden fallen die gleiche Geschwindigkeit, genau im gleichen Maße durch die Schwerkraft beschleunigt, obwohl das eine viel massiver ist als das andere. (Es ist der Vollständigkeit halber wichtig anzumerken, dass dies technisch nur im Vakuum gilt, wo der Luftwiderstand kein Thema ist. Eine Feder fällt eindeutig langsamer als ein Kugelstoßen, aber im Vakuum wäre dies nicht der Fall.) Dieser Aspekt von Einsteins Idee war prüfbar genug. Aber was ist mit relativistischen Situationen?

Im Juli 2018 schloss ein internationales Astronomenteam eine Studie über ein Dreifachsternsystem 4.200 Lichtjahre von der Erde entfernt ab. Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt (ungefähr sechs Billionen Meilen), dies bedeutet, dass die Astronomen hier auf der Erde Beobachtung von lichtenthüllenden Phänomenen, die um 2.200 v. Chr. tatsächlich auftraten. Dieses ungewöhnliche System besteht aus zwei winzigen, dichten Sternen – einem a "Pulsar" dreht sich 366 Mal pro Sekunde um seine Achse, und der andere ein Weißer Zwerg – umkreist sich mit einer bemerkenswert kurzen Periode von 1,6 Tage. Dieses Paar umkreist wiederum alle 327 Tage einen weiter entfernten Weißen Zwergstern. Kurz gesagt, die einzige Beschreibung der Gravitation, die die gegenseitigen frenetischen Bewegungen der drei Sterne in diesem Fall erklären könnte sehr ungewöhnliches System war Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – und die Gleichungen passen tatsächlich in die Situation perfekt.