Vad orsakar allvar på jorden?

De flesta människor, vetenskapligt orienterade eller på annat sätt, har åtminstone en vag uppfattning att någon kvantitet eller koncept som kallas "gravitation" är det som håller föremål, inklusive dem själva, bundna till jorden. De förstår att detta är en välsignelse i allmänhet, men mindre i vissa situationer - säg, när de ligger uppe på en trädgren och lite osäker på hur man ska komma tillbaka till marken oskadd, eller när man försöker sätta ett nytt personligt rekord i ett evenemang som höjdhoppet eller polen valv.

Det är kanske svårt att uppskatta begreppet gravitation förrän man ser vad som händer när dess inflytande minskas eller utplånad, till exempel när du tittar på bilder av astronauter på en rymdstation som kretsar kring planeten långt från jordens yta. Och i själva verket har fysiker liten aning om vad som i slutändan "orsakar" tyngdkraften, mer än de kan berätta för någon av oss varför universum finns i första hand. Fysiker har dock producerat ekvationer som beskriver vad tyngdkraften gör exceptionellt bra, inte bara på jorden utan i hela kosmos.

För över 2000 år sedan kom de antika grekiska tänkarna med många idéer som till stor del har motstått tidens test och överlevt till moderniteten. De upptäckte att avlägsna föremål som planeter och stjärnor (de verkliga avstånden från jorden som observatörerna naturligtvis inte hade något sätt att att veta) var i själva verket fysiskt bundna till varandra trots att de antagligen inte hade något som kablar eller rep som förbinder dem tillsammans. Frånvarande andra teorier föreslog grekerna att solens, månens, stjärnorna och planeternas rörelser dikterades av gudarnas nyck. (Faktum är att alla planeter vet att de på den tiden var uppkallade efter gudar.) Även om denna teori var snygg och avgörande, så var den var inte testbar och var därför inte mer än en stand-in för en mer tillfredsställande och vetenskapligt rigorös förklaring.

Det var först för ungefär 300 till 400 år sedan att astronomer som Tycho Brahe och Galileo Galilei insåg att, i motsats till bibliska läror som var nära 15 århundraden gamla kretsade jorden och planeterna runt solen, snarare än att jorden befann sig i centrum av universum. Detta banade väg för utforskningar av tyngdkraften, som den för närvarande förstås.

Ett sätt att tänka på gravitationens attraktion mellan objekt, uttryckt av den sena teoretiska fysikern Jacob Bekenstein i en uppsats för CalTech är som "krafter med lång räckvidd som elektriska neutrala kroppar utövar på varandra på grund av deras materiainnehåll." Det är, medan objekt kan uppleva en kraft som ett resultat av skillnader i elektrostatisk laddning, resulterar tyngdkraften istället i en kraft på grund av ren massa. Tekniskt, du och datorn, telefonen eller surfplattan du läser detta på utövar gravitationskrafter på varandra, men du och din internetaktiverade enhet är så små att den här kraften är praktiskt taget Oupptäckbar. Uppenbarligen är det en annan historia för objekt på skalan av planeter, stjärnor, hela galaxer och till och med kluster av galaxer.

Isaac Newton (1642-1727), krediterad för att vara en av de mest lysande matematiska sinnena i historien och en av meduppfinnarna av kalkylområdet, föreslog att tyngdkraften mellan två objekt är direkt proportionell mot massornas produkt och omvänt proportionell mot kvadratet på avståndet mellan dem. Detta har formen av ekvationen:

där F_grav är gravitationskraften i newton, m₁ och M₂ är massorna av objekten i kilogram, r är avståndet som separerar objekten i meter och värdet av proportionalitetskonstanten G är 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Medan denna ekvation fungerar utmärkt för vardagliga ändamål minskar dess värde när föremålen in frågan är relativistisk, det vill säga, beskrivs av massor och hastigheter långt utanför den typiska människan erfarenhet. Det är här Einsteins gravitationsteori kommer in.

1905 publicerade Albert Einstein, vars namn kanske är det mest igenkännliga i vetenskapens historia och det mest synonyma med prestationer på genial nivå, sin speciella relativitetsteori. Bland andra effekter som detta hade på den befintliga fysiska kunskapen ifrågasatte det antagandet inbyggt i Newtons begreppet tyngdkraft, vilket är att tyngdkraften i själva verket drivs omedelbart mellan objekt oberoende av deras omfattning separation. Efter Einsteins beräkningar fastställde att ljusets hastighet, 3 × 10⁸ m / s eller cirka 186 000 mil per sekund, placerade en övre gräns för hur snabbt någonting kunde förökas genom rymden, så Newtons idéer plötsligt sårbara ut, åtminstone i vissa fall. Med andra ord, medan Newtons gravitationsteori fortsatte att prestera beundransvärt i nästan alla tänkbara sammanhang, var det uppenbarligen inte en allmänt sann beskrivning av gravitationen.

Einstein tillbringade de kommande tio åren med att formulera en annan teori, en som skulle kunna förena Newtons grundläggande gravitation ram med den övre gränsen för ljusets hastighet som infördes, eller tycktes påtvinga, alla processer i universum. Resultatet, som Einstein introducerade 1915, var den allmänna relativitetsteorin. Triumfen för denna teori, som ligger till grund för alla gravitationsteorier fram till i dag, är den det inramade begreppet gravitation som en manifestation av rymdtidens krökning, inte som en kraft per se. Denna idé var inte helt ny; matematikern Georg Bernhard Riemann hade producerat relaterade idéer 1854. Men Einstein hade sålunda förvandlat gravitationsteorin från något som förankrats enbart i fysiska krafter till en mer geometri-baserad teori: Den föreslog en de facto fjärde dimension, tid, för att åtfölja de tre rumsliga dimensionerna som fanns redan bekant.

En av konsekvenserna av Einsteins allmänna relativitetsteori är att tyngdkraften fungerade oberoende av föremålens massa eller fysiska sammansättning. Detta innebär att bland annat en kanonkula och en marmor som faller från toppen av en skyskrapa kommer att falla mot marken vid samma hastighet, accelererad i exakt samma utsträckning av tyngdkraften trots att den ena är mycket mer massiv än den andra. (Det är viktigt att för fullständighetens skull notera att detta tekniskt gäller endast i ett vakuum, där luftmotstånd inte är ett problem. En fjäder faller helt klart långsammare än en kulstöt gör, men i ett vakuum skulle detta inte vara fallet.) Denna aspekt av Einsteins idé var tillräckligt testbar. Men hur är det med relativistiska situationer?

I juli 2018 avslutade ett internationellt team av astronomer en studie av ett trippelstjärnsystem 4200 ljusår från jorden. Ett ljusår är avståndet som ljuset färdas på ett år (cirka sex biljoner mil), vilket betyder att astronomerna här på jorden var observera ljusupptäckande fenomen som faktiskt inträffade omkring 2200 f.Kr. Detta ovanliga system består av två små, täta stjärnor - en a "pulsar" snurrar på sin axel 366 gånger per sekund, och den andra en vit dvärg - kretsar kring varandra med en anmärkningsvärt kort period på 1,6 dagar. Detta par kretsar i sin tur en mer avlägsen vit dvärgstjärna var 327 dagar. Kort sagt, den enda beskrivningen av gravitation som kan redogöra för de ömsesidiga frenetiska rörelserna för de tre stjärnorna i detta mycket ovanligt system var Einsteins allmänna relativitetsteori - och ekvationerna passade faktiskt situationen perfekt.