Wat veroorzaakt zwaartekracht op aarde?

De meeste mensen, wetenschappelijk georiënteerd of anderszins, hebben op zijn minst een vaag idee dat een hoeveelheid of concept genaamd 'zwaartekracht' ervoor zorgt dat objecten, inclusief zijzelf, aan de aarde worden vastgebonden. Ze begrijpen dat dit in het algemeen een zegen is, maar minder in bepaalde situaties – bijvoorbeeld wanneer ze op een boomtak zitten en een beetje niet zeker weet hoe je ongeschonden terug op de grond kunt komen, of wanneer je een nieuw persoonlijk record probeert te vestigen in een evenement zoals het hoogspringen of de paal kluis.

Het is misschien moeilijk om het idee van zwaartekracht zelf te waarderen totdat je ziet wat er gebeurt als de invloed ervan wordt verminderd of uitgewist, zoals bij het bekijken van beelden van astronauten op een ruimtestation in een baan om de planeet ver van de aarde oppervlakte. En in werkelijkheid hebben natuurkundigen weinig idee van wat uiteindelijk de zwaartekracht 'veroorzaakt', net zomin als ze ons kunnen vertellen waarom het universum überhaupt bestaat. Natuurkundigen hebben echter vergelijkingen gemaakt die beschrijven wat de zwaartekracht uitzonderlijk goed doet, niet alleen op aarde maar in de hele kosmos.

Meer dan 2000 jaar geleden kwamen de oude Griekse denkers met veel ideeën die de tand des tijds grotendeels hebben doorstaan ​​en de moderniteit hebben overleefd. Ze ontdekten dat verre objecten zoals planeten en sterren (de werkelijke afstanden tot de aarde waarvan de waarnemers natuurlijk geen van weten) waren in feite fysiek met elkaar verbonden, ondanks dat er vermoedelijk niets was zoals kabels of touwen die ze met elkaar verbinden samen. Bij gebrek aan andere theorieën stelden de Grieken dat de bewegingen van de zon, de maan, de sterren en de planeten werden gedicteerd door de grillen van goden. (In feite zijn alle planeten die in die tijd bekend waren vernoemd naar goden.) Hoewel deze theorie netjes en beslissend was, was niet toetsbaar, en was daarom niet meer dan een vervanging voor een meer bevredigende en wetenschappelijk rigoureuzere uitleg.

Pas ongeveer 300 tot 400 jaar geleden erkenden astronomen als Tycho Brahe en Galileo Galilei dat, in tegenstelling tot bijbelse leringen die toen bijna 15 eeuwen oud waren, draaiden de aarde en de planeten om de zon, in plaats van dat de aarde in het centrum van de universum. Dit maakte de weg vrij voor verkenningen van de zwaartekracht zoals die momenteel wordt begrepen.

Een manier om te denken aan de aantrekkingskracht tussen objecten, uitgedrukt door wijlen theoretisch natuurkundige Jacob Bekenstein in een essay voor CalTech, is als "lange afstandskrachten die elektrisch neutrale lichamen op elkaar uitoefenen vanwege hun materiegehalte." Dat is, terwijl objecten een kracht kunnen ervaren als gevolg van verschillen in elektrostatische lading, resulteert zwaartekracht in plaats daarvan in een kracht als gevolg van pure massa. Technisch gezien oefenen jij en de computer, telefoon of tablet waarop je dit leest zwaartekracht uit op elkaar, maar jij en je apparaat met internet zijn zo klein dat deze kracht vrijwel is ondetecteerbaar. Voor objecten op de schaal van planeten, sterren, hele sterrenstelsels en zelfs clusters van sterrenstelsels is het duidelijk een ander verhaal.

Isaac Newton (1642-1727), gecrediteerd als een van de meest briljante wiskundige geesten in de geschiedenis en een van de mede-uitvinders van het gebied van calculus, stelde voor dat de zwaartekracht tussen twee objecten recht evenredig is met het product van hun massa en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen hen. Dit heeft de vorm van de vergelijking:

waar F_zwaar is de zwaartekracht in newton, m₁ en M₂ zijn de massa's van de objecten in kilogram, r is de afstand tussen de objecten in meters en de waarde van de evenredigheidsconstante G is 6,67 × 10^-11 (N m²)/kg².

Hoewel deze vergelijking uitstekend werkt voor alledaagse doeleinden, neemt de waarde ervan af wanneer de objecten in vraag zijn relativistisch, dat wil zeggen, beschreven door massa's en snelheden ver buiten de typische menselijke ervaring. Dit is waar de zwaartekrachttheorie van Einstein van pas komt.

In 1905 publiceerde Albert Einstein, wiens naam misschien wel de meest herkenbare in de geschiedenis van de wetenschap is en het meest synoniem is met geniale prestaties, zijn speciale relativiteitstheorie. Naast andere effecten die dit had op de bestaande kennis van de natuurkunde, trok het de aanname die in Newton's theorie was ingebouwd in twijfel concept van zwaartekracht, dat is dat de zwaartekracht in feite ogenblikkelijk tussen objecten werkte, ongeacht de uitgestrektheid van hun scheiding. Nadat Einsteins berekeningen hadden vastgesteld dat de lichtsnelheid, 3 × 10⁸ m/s of ongeveer 186.000 mijl per seconde, een bovengrens legde voor hoe snel iets zich door de ruimte kon voortplanten, zagen Newtons ideeën er plotseling kwetsbaar uit, althans in bepaalde gevallen. Met andere woorden, terwijl de Newtoniaanse zwaartekrachttheorie in bijna alle denkbare contexten bewonderenswaardig bleef presteren, was het duidelijk geen universeel juiste beschrijving van zwaartekracht.

Einstein bracht de volgende 10 jaar door met het formuleren van een andere theorie, een die de fundamentele zwaartekracht van Newton zou verzoenen kader met als bovengrens de lichtsnelheid die alle processen in het universum oplegt of leek op te leggen. Het resultaat, dat Einstein in 1915 introduceerde, was de algemene relativiteitstheorie. De triomf van deze theorie, die de basis vormt van alle zwaartekrachttheorieën tot op de dag van vandaag, is dat: het omlijstte het concept van zwaartekracht als een manifestatie van de kromming van ruimte-tijd, niet als een kracht per zie. Dit idee was niet helemaal nieuw; de wiskundige Georg Bernhard Riemann had in 1854 verwante ideeën geproduceerd. Maar Einstein had dus de zwaartekrachttheorie getransformeerd van iets dat puur geworteld is in fysieke krachten in een meer op geometrie gebaseerde theorie: het stelde een de facto vierde dimensie voor, tijd, om de drie ruimtelijke dimensies te begeleiden die waren al bekend.

Een van de implicaties van Einsteins algemene relativiteitstheorie is dat de zwaartekracht onafhankelijk werkte van de massa of de fysieke samenstelling van objecten. Dit betekent dat onder andere een kanonskogel en een knikker die van de top van een wolkenkrabber valt, op de grond vallen. dezelfde snelheid, in precies dezelfde mate versneld door de zwaartekracht, ondanks dat de ene veel massiever is dan de andere. (Het is belangrijk om voor de volledigheid op te merken dat dit technisch alleen waar is in een vacuüm, waar luchtweerstand geen probleem is. Een veer valt duidelijk langzamer dan een kogelstoten, maar in een vacuüm zou dit niet het geval zijn.) Dit aspect van Einsteins idee was testbaar genoeg. Maar hoe zit het met relativistische situaties?

In juli 2018 rondde een internationaal team van astronomen een studie af van een drievoudig sterrenstelsel op 4200 lichtjaar van de aarde. Omdat een lichtjaar de afstand is die het licht in één jaar aflegt (ongeveer zes biljoen mijl), betekent dit dat de astronomen hier op aarde het observeren van lichtonthullende verschijnselen die daadwerkelijk plaatsvonden rond 2.200 v. Chr. Dit ongewone systeem bestaat uit twee kleine, dichte sterren - een a "pulsar" die 366 keer per seconde om zijn as draait, en de andere een witte dwerg - die om elkaar heen draait met een opmerkelijk korte periode van 1,6 dagen. Dit paar draait op zijn beurt elke 327 dagen om een ​​verder weg gelegen witte dwergster. Kortom, de enige beschrijving van de zwaartekracht die de wederzijdse hectische bewegingen van de drie sterren hierin zou kunnen verklaren hoogst ongebruikelijk systeem was Einsteins algemene relativiteitstheorie - en de vergelijkingen passen in feite bij de situatie perfect.