Mikä aiheuttaa painovoimaa maapallolla?

Suurimmalla osalla ihmisistä, tieteellisesti suuntautuneina tai muuten, on ainakin epämääräinen käsitys siitä, että jokin "painovoimaksi" kutsuttu määrä tai käsite pitää objektit, mukaan lukien itsensä, kiinni maapallolla. He ymmärtävät, että tämä on siunaus yleensä, mutta vähemmän tietyissä tilanteissa - sanotaan, kun se istuu puun oksalla ja vähän epävarma siitä, kuinka päästä takaisin maahan vahingoittumattomana, tai kun yrität asettaa uuden henkilökohtaisen ennätyksen tapahtumassa, kuten korkeushyppy tai keppi holvi.

Itse painovoiman käsitettä on ehkä vaikea ymmärtää, ennen kuin näet, mitä tapahtuu, kun sen vaikutus vähenee tai hävitetyt, esimerkiksi kun katsot astronauttien kuvaa avaruusasemalla, joka kiertää maapalloa kaukana maapallon pinta. Ja todellisuudessa fyysikoilla ei ole juurikaan aavistustakaan siitä, mikä lopulta "aiheuttaa" painovoiman, enempää kuin he voivat kertoa kenellekään meistä, miksi maailmankaikkeus on olemassa. Fyysikot ovat kuitenkin tuottaneet yhtälöitä, jotka kuvaavat sitä, mitä painovoima tekee poikkeuksellisen hyvin, ei vain maapallolla, vaan koko kosmoksessa.

Yli 2000 vuotta sitten muinaiset kreikkalaiset ajattelijat esittivät paljon ideoita, jotka ovat pitkälti kestäneet ajan koetuksen ja selviytyneet nykyaikaan. He huomasivat, että kaukaiset esineet, kuten planeetat ja tähdet (todelliset etäisyydet maasta, joita tarkkailijoilla ei tietenkään ollut tietysti) olivat itse asiassa fyysisesti sidottuja toisiinsa huolimatta siitä, että oletettavasti niillä ei ollut yhtään kaapeleita tai köysiä yhdessä. Muiden teorioiden puuttuessa kreikkalaiset ehdottivat, että auringon, kuun, tähtien ja planeettojen liikkeet sanelivat jumalien mielijohteet. (Itse asiassa kaikki planeetat tietävät, että noina aikoina oli nimetty jumalien mukaan.) Vaikka tämä teoria oli siisti ja ratkaiseva, se ei ollut testattavissa, ja siksi se oli vain stand-in tyydyttävämmälle ja tieteellisesti tiukemmalle selitys.

Vasta noin 300–400 vuotta sitten tähtitieteilijät, kuten Tycho Brahe ja Galileo Galilei, tunnistivat, että toisin kuin raamatullinen sitten lähes 15 vuosisataa vanhoja opetuksia, maapallo ja planeetat kiertivät aurinkoa sen sijaan, että maa olisi maailmankaikkeus. Tämä avasi tietä painovoiman tutkimuksille, kuten nykyisin ymmärretään.

Yksi tapa ajatella objektien välistä gravitaatiovoimaa, jonka myöhäinen teoreettinen fyysikko Jacob Bekenstein ilmaisi essee CalTechin mukaan se on "pitkän kantaman voimia, joita sähköisesti neutraalit kappaleet kohdistavat toisiinsa aineen sisällönsä vuoksi". Tuo on, kun esineillä voi olla voimaa sähköstaattisen varauksen erojen seurauksena, painovoima johtaa sen sijaan pelkästään voimaan massa. Teknisesti sinä ja tietokone, puhelin tai tabletti, jota luet tämän, kohdistavat painovoimaa toisiaan, mutta sinä ja Internet-yhteensopiva laitteesi ovat niin pieniä, että tämä voima on käytännössä havaitsematon. Ilmeisesti planeettojen, tähtien, kokonaisen galaksin ja jopa galaksiryhmän mittakaavassa olevista kohteista on erilainen tarina.

Isaac Newton (1642-1727), jonka uskotaan olevan yksi historian loistavimmista matemaattisista mielistä ja yksi laskukentän keksijöistä, ehdotti että kahden kohteen välinen painovoima on suoraan verrannollinen niiden massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen välisen etäisyyden neliöön niitä. Tämä tapahtuu yhtälön muodossa:

missä F_grav on painovoima newtoneina, m₁ ja m₂ ovat esineiden massat kilogrammoina, r on esineiden välinen etäisyys metreinä ja suhteellisuusvakion G arvo on 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Vaikka tämä yhtälö toimii erinomaisesti jokapäiväisiin tarkoituksiin, sen arvo pienenee, kun kohteet ovat kysymykset ovat relativistisia, toisin sanoen massojen ja nopeuksien kuvaamia tyypillisen ihmisen ulkopuolella kokea. Tässä tulee Einsteinin painovoimateoria.

Vuonna 1905 Albert Einstein, jonka nimi on kenties tunnetuin tieteen historiassa ja synonyymi nero-tason tekojen kanssa, julkaisi erityisen suhteellisuusteoriansa. Muiden vaikutusten ohella tällä oli olemassa olevaa fysiikan tietämystä, ja se kyseenalaisti Newtonin sisäänrakennetun oletuksen painovoiman käsite, joka on, että painovoima toimi tosiasiallisesti välittömästi esineiden välillä riippumatta niiden laajuudesta erottaminen. Kun Einsteinin laskelmat osoittivat, että valon nopeus, 3 × 10⁸ m / s tai noin 186 000 mailia sekunnissa asettivat ylärajan sille, kuinka nopeasti kaikkea voidaan levittää avaruudessa, Newtonin ideat näyttivät yhtäkkiä haavoittuvilta, ainakin tietyissä tapauksissa. Toisin sanoen, vaikka Newtonin gravitaatioteorian suorituskyky jatkui ihailtavasti melkein kaikissa kuviteltavissa olevissa yhteyksissä, se ei selvästikään ollut yleisesti todellinen painovoiman kuvaus.

Einstein käytti seuraavat 10 vuotta toisen teorian muotoilemisessa, joka sovittaa yhteen Newtonin painovoiman kehys, jonka yläraja valon nopeus asettaa tai näyttää vaikuttavan kaikilla maailmankaikkeuden prosesseilla. Tulos, jonka Einstein esitteli vuonna 1915, oli yleinen suhteellisuusteoria. Tämän teorian voitto, joka muodostaa perustan kaikille gravitaatioteorioille nykypäivään, on se se kehitti gravitaation käsitteen aika-ajan kaarevuuden ilmentymänä, ei voimana se. Tämä ajatus ei ollut aivan uusi; matemaatikko Georg Bernhard Riemann oli tuottanut siihen liittyviä ideoita vuonna 1854. Mutta Einstein oli siten muuttanut gravitaatioteorian puhtaasti fyysisissä voimissa juurtuneesta enemmän geometriaan perustuva teoria: Se ehdotti tosiasiallisesti neljännen ulottuvuuden, ajan, liitettäväksi kolmeen alueelliseen ulottuvuuteen, jotka olivat jo tuttu.

Yksi Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian merkityksistä on, että painovoima toimi riippumatta esineiden massasta tai fyysisestä koostumuksesta. Tämä tarkoittaa, että muun muassa pilvenpiirtäjän huipulta pudotettu tykinkuula ja marmori putoavat kohti maata sama nopeus, jota painovoima kiihdyttää täsmälleen samassa määrin huolimatta siitä, että toinen on paljon massiivisempi kuin toinen. (On tärkeää huomata täydellisyyden vuoksi, että tämä on teknisesti totta vain tyhjiössä, jossa ilmavastus ei ole ongelma. Sulka putoaa selvästi hitaammin kuin haulikko putoaa, mutta tyhjiössä näin ei olisi.) Tämä Einsteinin idean näkökohta oli tarpeeksi testattava. Mutta entä relativistiset tilanteet?

Heinäkuussa 2018 kansainvälinen tähtitieteilijöiden tiimi saattoi päätökseen tutkimuksen 4200 valovuoden päässä sijaitsevasta kolmen tähden järjestelmästä. Valovuosi on etäisyys, jonka valo kulkee yhdessä vuodessa (noin kuusi biljoonaa mailia), mikä tarkoittaa, että tähtitieteilijät täällä maapallolla tarkkailemalla valoa paljastavia ilmiöitä, joita todellisuudessa tapahtui noin 2200 eaa. Tämä epätavallinen järjestelmä koostuu kahdesta pienestä, tiheästä tähdestä - yksi a "pulsari" pyörii akselillaan 366 kertaa sekunnissa, ja toinen valkoinen kääpiö kiertää toistensa ympäri huomattavan lyhyellä 1,6 jaksolla. päivää. Tämä pari puolestaan ​​kiertää kaukaisemman valkoisen kääpiötähden 327 päivän välein. Lyhyesti sanottuna ainoa painovoiman kuvaus, joka voisi selittää kolmen tähden keskinäiset kiihkeät liikkeet tässä erittäin epätavallinen järjestelmä oli Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria - ja yhtälöt sopivat itse asiassa tilanteeseen täydellisesti.