Hva forårsaker tyngdekraften på jorden?

De fleste mennesker, vitenskapelig orientert eller på annen måte, har i det minste en vag ide om at en mengde eller et begrep som kalles "tyngdekraften" er det som holder gjenstander, inkludert dem selv, bundet til jorden. De forstår at dette er en velsignelse generelt, men mindre i visse situasjoner - si når de ligger på en tregren og litt usikker på hvordan du kommer uskadd tilbake til bakken, eller når du prøver å sette en ny personlig rekord i et arrangement som høydehopp eller stangen hvelv.

Det er kanskje vanskelig å sette pris på selve tyngdekraften før man ser hva som skjer når dens innflytelse blir mindre eller utslettet, for eksempel når du ser på opptak av astronauter på en romstasjon som kretser rundt planeten langt fra jordens flate. Og i sannhet har fysikere liten anelse om hva som til slutt "forårsaker" tyngdekraften, mer enn de kan fortelle noen av oss hvorfor universet eksisterer i utgangspunktet. Fysikere har imidlertid produsert ligninger som beskriver hva tyngdekraften gjør usedvanlig bra, ikke bare på jorden, men i hele kosmos.

For over 2000 år siden kom de gamle greske tenkerne med mange ideer som i stor grad har motstått tidstesten og overlevd til modernitet. De oppdaget at fjerne objekter som planeter og stjerner (de sanne avstandene fra jorden som observatørene selvfølgelig ikke hadde noen mulighet for var faktisk fysisk bundet til hverandre til tross for at vi antagelig ikke hadde noe som kabler eller tau som forbinder dem sammen. Fraværende andre teorier foreslo grekerne at bevegelsene til solen, månen, stjernene og planetene ble diktert av innfall av guder. (Faktisk vet alle planetene i de dager at de ble oppkalt etter guder.) Selv om denne teorien var pen og avgjørende, var den var ikke testbar, og var derfor ikke mer enn en stand-in for en mer tilfredsstillende og vitenskapelig streng forklaring.

Det var først for rundt 300 til 400 år siden at astronomer som Tycho Brahe og Galileo Galilei innså at det, i motsetning til bibelsk læresetninger som var nær 15 hundre år gamle, dreide jorden og planetene seg rundt solen, snarere enn at jorden var i sentrum av univers. Dette banet vei for utforskning av tyngdekraften slik den for tiden er forstått.

En måte å tenke på gravitasjonsattraksjonen mellom objekter, uttrykt av den avdøde teoretiske fysikeren Jacob Bekenstein i en essay for CalTech, er som "langdistansekrefter som elektrisk nøytrale legemer utøver på hverandre på grunn av stoffets innhold." Det er, mens gjenstander kan oppleve en kraft som et resultat av forskjeller i elektrostatisk ladning, resulterer tyngdekraften i stedet i en kraft på grunn av ren masse. Teknisk sett utøver du og datamaskinen, telefonen eller nettbrettet du leser dette på gravitasjonskrefter hverandre, men du og din internettaktiverte enhet er så små at denne kraften er praktisk talt uoppdagelig. Det er tydeligvis en annen historie for objekter på skalaen til planeter, stjerner, hele galakser og til og med galaksesamlinger.

Isaac Newton (1642-1727), kreditert for å være et av de mest strålende matematiske sinnene i historien, og en av medoppfinnerne av kalkulasjonsfeltet, foreslo at tyngdekraften mellom to objekter er direkte proporsjonal med produktet av deres masser og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dem. Dette har form av ligningen:

hvor F_grav er tyngdekraften i newton, m₁ og M₂ er massene til objektene i kilogram, r er avstanden som skiller gjenstandene i meter og verdien av proporsjonalitetskonstanten G er 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Selv om denne ligningen fungerer utmerket til hverdagsformål, reduseres verdien når objektene kommer inn spørsmålet er relativistisk, det vil si beskrevet av masser og hastigheter langt utenfor det typiske mennesket erfaring. Det er her Einsteins gravitasjonsteori kommer inn.

I 1905 publiserte Albert Einstein, hvis navn kanskje er det mest gjenkjennelige i vitenskapshistorien og det mest synonyme med prestasjoner på genialt nivå, sin spesielle relativitetsteori. Blant andre effekter dette hadde på den eksisterende kroppen av fysikk kunnskap, satte den spørsmålstegn ved antagelsen innebygd i Newtons begrepet tyngdekraft, som er at tyngdekraften faktisk fungerte øyeblikkelig mellom objekter uavhengig av omfanget av deres atskillelse. Etter Einsteins beregninger ble det fastslått at lysets hastighet, 3 × 10⁸ m / s eller rundt 186 000 miles per sekund, plassert en øvre grense for hvor raskt noe kunne spres gjennom rommet, så Newtons ideer plutselig sårbare ut, i det minste i visse tilfeller. Med andre ord, mens Newtons gravitasjonsteori fortsatte å prestere beundringsverdig i nesten alle tenkelige sammenhenger, var det tydeligvis ikke en universell sann beskrivelse av tyngdekraften.

Einstein brukte de neste 10 årene på å formulere en annen teori, en som ville forene Newtons grunnleggende gravitasjon rammeverk med den øvre grensen lyshastigheten pålagt, eller så ut til å pålegge, alle prosesser i universet. Resultatet, som Einstein introduserte i 1915, var den generelle relativitetsteorien. Triumfen til denne teorien, som danner grunnlaget for alle gravitasjonsteoriene til i dag, er den den innrammet begrepet gravitasjon som en manifestasjon av krumning av romtid, ikke som en kraft pr se. Denne ideen var ikke helt ny; matematikeren Georg Bernhard Riemann hadde produsert relaterte ideer i 1854. Men Einstein hadde altså forvandlet gravitasjonsteori fra noe forankret rent i fysiske krefter til en mer geometri-basert teori: Den foreslo en de facto fjerde dimensjon, tid, som skulle følge de tre romlige dimensjonene som var allerede kjent.

En av implikasjonene til Einsteins generelle relativitetsteori er at tyngdekraften opererte uavhengig av massen eller den fysiske sammensetningen av objekter. Dette betyr at blant annet en kanonkule og en marmor som faller fra toppen av en skyskraper, vil falle ned mot bakken kl. samme hastighet, akselerert i nøyaktig samme grad av tyngdekraften til tross for at den ene er langt mer massiv enn den andre. (Det er viktig å merke seg for fullstendighetens skyld at dette teknisk bare gjelder i et vakuum, hvor luftmotstand ikke er et problem. En fjær faller tydeligvis saktere enn en kulestøtte gjør, men i et vakuum ville dette ikke være tilfelle.) Dette aspektet av Einsteins idé var testbar nok. Men hva med relativistiske situasjoner?

I juli 2018 avsluttet et internasjonalt team av astronomer en studie av et trippelstjernesystem 4200 lysår fra jorden. Et lysår som er avstanden lyset beveger seg på ett år (omtrent seks billioner miles), betyr dette at astronomene her på jorden var observere lysavdekkende fenomener som faktisk skjedde i ca 2200 f.Kr. Dette uvanlige systemet består av to små, tette stjerner - en a "pulsar" spinner på sin akse 366 ganger i sekundet, og den andre en hvit dverg - kretser rundt hverandre med en bemerkelsesverdig kort periode på 1,6 dager. Dette paret kretser i sin tur en fjernere hvit dvergstjerne hver 327 dag. Kort sagt, den eneste beskrivelsen av tyngdekraften som kunne redegjøre for de gjensidige frenetiske bevegelsene til de tre stjernene i dette svært uvanlig system var Einsteins generelle relativitetsteori - og ligningene passet faktisk inn i situasjonen perfekt.