Inhalt
- Eine kurze Geschichte der Schwerkraft
- Theorien der Schwerkraft
- Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie
- Die Schwerkraft der Erde und darüber hinaus
Die meisten Menschen, wissenschaftlich orientiert oder auf andere Weise, haben zumindest eine vage Vorstellung davon, dass eine Menge oder ein Konzept namens "Schwerkraft" Objekte, einschließlich sich selbst, an die Erde gebunden hält. Sie verstehen, dass dies im Allgemeinen ein Segen ist, aber weniger in bestimmten Situationen - zum Beispiel, wenn sie auf einem Ast sitzen und ein wenig unsicher sind, wie sie unversehrt auf den Boden zurückkehren sollen, oder wenn sie versuchen, einen neuen persönlichen Rekord in einem zu erstellen Ereignis wie der Hochsprung oder das Stabhochsprung.
Es ist vielleicht schwierig, den Begriff der Schwerkraft selbst zu verstehen, bis man sieht, was passiert, wenn ihr Einfluss verringert oder ausgelöscht wird, beispielsweise wenn Astronauten auf einer Raumstation beobachtet werden, die den Planeten weit von der Erdoberfläche umkreist. Und in Wahrheit haben Physiker kaum eine Vorstellung davon, was letztendlich die Schwerkraft "verursacht", und sie können keinem von uns sagen, warum das Universum überhaupt existiert. Die Physiker haben jedoch Gleichungen aufgestellt, die beschreiben, was die Schwerkraft nicht nur auf der Erde, sondern im gesamten Kosmos besonders gut kann.
Eine kurze Geschichte der Schwerkraft
Vor über 2.000 Jahren kamen die Denker der alten Griechen auf viele Ideen, die den Test der Zeit weitgehend überstanden und die Moderne überlebt haben. Sie stellten fest, dass weit entfernte Objekte wie Planeten und Sterne (die wahren Entfernungen von der Erde, von denen die Beobachter natürlich keine Ahnung hatten) tatsächlich physisch aneinander gebunden waren, obwohl sie vermutlich nichts mit Kabeln oder Seilen zu tun hatten, die sie verbanden zusammen. In Abwesenheit 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. (In der Tat, alle Planeten, die in jenen Tagen bekannt waren, wurden nach Göttern benannt.) Obwohl diese Theorie ordentlich und entscheidend war, war sie nicht überprüfbar und war daher nur ein Ersatz für eine befriedigendere und wissenschaftlich strengere Erklärung.
Erst vor etwa 300 bis 400 Jahren erkannten Astronomen wie Tycho Brahe und Galileo Galilei, dass sich die Erde und die Planeten im Gegensatz zu den damals fast 15 Jahrhunderte alten biblischen Lehren um die Sonne drehten und nicht um die Erde Mittelpunkt des Universums. Dies ebnete den Weg für Erkundungen der Schwerkraft, wie es derzeit verstanden wird.
Theorien der Schwerkraft
Eine Möglichkeit, sich die Anziehungskraft zwischen Objekten vorzustellen, die der spättheoretische Physiker Jacob Bekenstein in einem Aufsatz für CalTech zum Ausdruck gebracht hat, sind "weitreichende Kräfte, die elektrisch neutrale Körper aufgrund ihres Materieinhalts aufeinander ausüben". Das heißt, während Objekte infolge unterschiedlicher elektrostatischer Aufladung eine Kraft erfahren können, führt die Schwerkraft stattdessen zu einer Kraft aufgrund der bloßen Masse. Technisch gesehen üben Sie und der Computer, das Telefon oder das Tablet, auf dem Sie dies lesen, Gravitationskräfte aufeinander aus, aber Sie und Ihr internetfähiges Gerät sind so klein, dass diese Kraft praktisch nicht nachweisbar ist. Für Objekte auf der Skala von Planeten, Sternen, ganzen Galaxien und sogar Galaxienhaufen ist dies offensichtlich eine andere Geschichte.
Isaac Newton (1642-1727), der als einer der brillantesten mathematischen Köpfe der Geschichte und einer der Miterfinder des Bereiches der Analysis gilt, schlug vor, dass die Schwerkraft zwischen zwei Objekten direkt proportional zum Produkt ihrer ist Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen ihnen. Dies hat die Form der Gleichung:
Fgrav = (G × m1 × m2) / r2
wo Fgrav 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 ist 6,67 × 10-11 (N ⋅ m2)/kg2.
Während diese Gleichung für alltägliche Zwecke hervorragend funktioniert, verringert sich ihr Wert, wenn die fraglichen Objekte relativistisch sind, dh durch Massen und Geschwindigkeiten beschrieben werden, die weit außerhalb der typischen menschlichen Erfahrung liegen. Hier kommt Einsteins Gravitationstheorie ins Spiel.
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie
1905 veröffentlichte Albert Einstein, dessen Name vielleicht der bekannteste in der Geschichte der Wissenschaft und das Synonym für Meisterleistungen auf Geniestufe ist, seine spezielle Relativitätstheorie. Dies hatte unter anderem Auswirkungen auf das vorhandene physikalische Wissen und stellte die Annahme in Frage, die in Newtons Konzept der Schwerkraft eingebaut ist, dh, dass die Schwerkraft tatsächlich sofort zwischen Objekten wirksam ist, unabhängig von der Größe ihrer Trennung. Nach Einsteins Berechnungen ergab sich, dass die Lichtgeschwindigkeit 3 × 108 m / s oder ungefähr 186.000 Meilen pro Sekunde, die eine Obergrenze dafür bildeten, wie schnell sich alles durch den Weltraum ausbreiten konnte, sahen Newtons Ideen zumindest in bestimmten Fällen plötzlich verwundbar aus. Mit anderen Worten, während die Newtonsche Gravitationstheorie weiterhin in nahezu allen erdenklichen Punkten eine bewundernswerte Leistung erbrachte, war sie eindeutig keine allgemeingültige Beschreibung der Schwerkraft.
Einstein verbrachte die nächsten 10 Jahre damit, eine andere Theorie zu formulieren, die Newtons grundlegendes Gravitationsgerüst mit der Obergrenze der Lichtgeschwindigkeit in Einklang bringen sollte, die allen Prozessen im Universum auferlegt oder auferlegt zu sein schien. Das Ergebnis, das Einstein 1915 einführte, war die allgemeine Relativitätstheorie. Der Triumph dieser Theorie, die die Grundlage aller Gravitationstheorien bis heute bildet, besteht darin, dass sie den Begriff der Gravitation als Manifestation der Krümmung der Raum-Zeit und nicht als Kraft an sich formuliert. Diese Idee war nicht ganz neu; Der Mathematiker Georg Bernhard Riemann hatte 1854 verwandte Ideen hervorgebracht. Doch Einstein hatte die Gravitationstheorie von etwas, das ausschließlich auf physikalischen Kräften beruhte, in eine geometrischere Theorie verwandelt: Er schlug eine faktische vierte Dimension, die Zeit, vor, die die drei räumlichen Dimensionen begleitet das war schon bekannt.
Die Schwerkraft der Erde und darüber hinaus
Eine der Implikationen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist, dass die Schwerkraft unabhängig von der Masse oder der physikalischen Zusammensetzung von Objekten betrieben wird. Dies bedeutet, dass unter anderem eine Kanonenkugel und ein Marmor, die von der Spitze eines Wolkenkratzers gefallen sind, mit der gleichen Geschwindigkeit auf den Boden fallen, die durch die Schwerkraft im selben Maße beschleunigt wird, obwohl eine weitaus massiver als die andere ist . (Der Vollständigkeit halber ist anzumerken, dass dies technisch nur in einem Vakuum zutrifft, in dem der Luftwiderstand keine Rolle spielt. Eine Feder fällt deutlich langsamer als ein Kugelstoßen, aber in einem Vakuum wäre dies nicht der Fall .) Dieser Aspekt von Einsteins Idee war genug prüfbar. Aber wie steht es mit relativistischen Situationen?
Im Juli 2018 schloss ein internationales Team von Astronomen eine Studie über ein 3-Sternensystem ab, das 4.200 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. 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 Licht aufdeckende Phänomene beobachteten, die tatsächlich bei ungefähr 2.200 v. Chr. Auftraten. Dieses ungewöhnliche System besteht aus zwei winzigen, dichten Sternen - einem "Pulsar", der sich 366 Mal pro Sekunde um seine Achse dreht, und einem weißen Zwerg, der sich in einer bemerkenswert kurzen Zeitspanne von 1,6 Tagen gegenseitig umkreist. Dieses Paar umkreist alle 327 Tage einen weiter entfernten weißen Zwergstern. Kurz gesagt, die einzige Beschreibung der Schwerkraft, die die gegenseitigen frenetischen Bewegungen der drei Sterne in diesem höchst ungewöhnlichen System erklären konnte, war Einsteins allgemeine Relativitätstheorie - und die Gleichungen passten tatsächlich perfekt zur Situation.