Var kommer tyngdkraften ifrån? Vad är gravitation i enkla ord. Harmoniska referensramar

Obi-Wan Kenobi sa att styrkan håller ihop galaxen. Detsamma kan sägas om gravitationen. Fakta: Gravitationen tillåter oss att gå på jorden, jorden att kretsa runt solen och solen att röra sig runt det supermassiva svarta hålet i mitten av vår galax. Hur förstår man gravitationen? Detta diskuteras i vår artikel.

Låt oss genast säga att du här inte kommer att hitta ett unikt korrekt svar på frågan "Vad är gravitation." För det finns helt enkelt inte! Tyngdkraften är ett av de mest mystiska fenomenen, som forskare undrar över och fortfarande inte kan förklara dess natur fullt ut.

Det finns många hypoteser och åsikter. Det finns mer än ett dussin teorier om gravitation, alternativa och klassiska. Vi kommer att titta på de mest intressanta, relevanta och moderna.

Vill ha mer användbar information och färska nyheter varje dag? Följ med oss på telegram.

Tyngdkraften är en fysisk fundamental interaktion

Det finns 4 grundläggande interaktioner i fysiken. Tack vare dem är världen precis vad den är. Tyngdkraften är en av dessa interaktioner.

Grundläggande interaktioner:

allvar;
elektromagnetism;
stark interaktion;
svag interaktion.

Tyngdkraften är den svagaste av de fyra grundläggande krafterna.

För närvarande är den nuvarande teorin som beskriver gravitationen GTR (allmän relativitet). Det föreslogs av Albert Einstein 1915-1916.

Men vi vet att sanningen i sista utvägen Det är för tidigt att säga. När allt kommer omkring, flera århundraden före uppkomsten av allmän relativitet i fysiken, dominerade Newtons teori för att beskriva gravitationen, som utökades avsevärt.

Inom ramen för allmän relativitet är det för närvarande omöjligt att förklara och beskriva alla frågor som rör gravitation.

Före Newton trodde man allmänt att gravitation på jorden och gravitation i himlen var olika saker. Man trodde att planeterna rör sig enligt sina egna ideallagar, olika de på jorden.

Newton upptäckte lagen universell gravitationår 1667. Naturligtvis fanns denna lag även under dinosauriernas tid och mycket tidigare.

Forntida filosofer tänkte på existensen av gravitation. Galileo beräknade experimentellt tyngdaccelerationen på jorden och upptäckte att det är samma sak för kroppar av vilken massa som helst. Kepler studerade himlakropparnas rörelselagar.

Newton lyckades formulera och generalisera resultaten av sina observationer. Här är vad han fick:

Två kroppar attraherar varandra med en kraft som kallas gravitationskraft eller gravitation.

Formel för attraktionskraften mellan kroppar:

G är gravitationskonstanten, m är kropparnas massa, r är avståndet mellan kropparnas massacentrum.

Vad är den fysiska betydelsen av gravitationskonstanten? Det är lika med kraften med vilken kroppar med en massa på 1 kilogram vardera verkar på varandra, på ett avstånd av 1 meter från varandra.

Enligt Newtons teori skapar varje föremål ett gravitationsfält. Noggrannheten i Newtons lag har testats på avstånd mindre än en centimeter. Naturligtvis är dessa krafter obetydliga för små massor och kan försummas.

Newtons formel är tillämplig både för att beräkna attraktionskraften hos planeter till solen och för små föremål. Vi märker helt enkelt inte kraften med vilken till exempel bollarna på ett biljardbord dras till sig. Ändå finns denna kraft och kan beräknas.

Attraktionskraften verkar mellan alla kroppar i universum. Dess effekt sträcker sig till alla avstånd.

Newtons universella gravitationslag förklarar inte tyngdkraftens natur, utan fastställer kvantitativa lagar. Newtons teori motsäger inte GTR. Det är helt tillräckligt för att lösa praktiska problem på jordskala och för att beräkna himlakropparnas rörelse.

Gravitation i allmän relativitet

Trots att Newtons teori är ganska tillämpbar i praktiken har den ett antal nackdelar. Den universella gravitationens lag är en matematisk beskrivning, men ger ingen inblick i sakers grundläggande fysiska natur.

Enligt Newton verkar tyngdkraften på vilket avstånd som helst. Och det fungerar direkt. Med tanke på att den snabbaste hastigheten i världen är ljusets hastighet, finns det en diskrepans. Hur kan gravitationen agera omedelbart på vilket avstånd som helst, när det inte tar ljuset ett ögonblick, utan flera sekunder eller till och med år att övervinna dem?

Inom ramen för den allmänna relativitetsteorien betraktas gravitationen inte som en kraft som verkar på kroppar, utan som en krökning av rum och tid under påverkan av massa. Tyngdkraften är alltså inte en kraftinteraktion.

Vad är effekten av gravitation? Låt oss försöka beskriva det med en analogi.

Låt oss föreställa oss utrymme i form av ett elastiskt ark. Om du placerar en lätt tennisboll på den förblir ytan jämn. Men om du lägger en tung vikt bredvid bollen kommer den att trycka ett hål på ytan, och bollen börjar rulla mot den stora, tunga vikten. Detta är "gravitation".

Förresten! För våra läsare finns nu 10% rabatt på

Upptäckten av gravitationsvågor

Gravitationsvågor förutspåddes av Albert Einstein redan 1916, men de upptäcktes bara hundra år senare, 2015.

Vad är gravitationsvågor? Låt oss dra en analogi igen. Om du kastar en sten i lugnt vatten kommer cirklar att dyka upp på vattenytan där den faller. Gravitationsvågor är samma krusningar, störningar. Bara inte på vattnet, utan i den globala rymdtiden.

Istället för vatten finns rum-tid, och istället för en sten, säg, ett svart hål. Varje accelererad massarörelse genererar en gravitationsvåg. Om kropparna är i ett tillstånd av fritt fall, när en gravitationsvåg passerar, kommer avståndet mellan dem att ändras.

Eftersom tyngdkraften är en mycket svag kraft har detektering av gravitationsvågor förknippats med stora tekniska svårigheter. Modern teknik gjorde det möjligt att upptäcka en explosion av gravitationsvågor endast från supermassiva källor.

En lämplig händelse för att detektera en gravitationsvåg är sammanslagning av svarta hål. Tyvärr eller lyckligtvis händer detta ganska sällan. Ändå lyckades forskare registrera en våg som bokstavligen rullade över universums rymd.

För att registrera gravitationsvågor byggdes en detektor med en diameter på 4 kilometer. Under vågens passage registrerades vibrationer från speglar på suspensioner i ett vakuum och interferensen av ljus som reflekterades från dem.

Gravitationsvågor bekräftade giltigheten av allmän relativitet.

Tyngdkraft och elementarpartiklar

I standardmodellen är vissa elementarpartiklar ansvariga för varje interaktion. Vi kan säga att partiklar är bärare av interaktioner.

Gravitonen, en hypotetisk masslös partikel med energi, är ansvarig för gravitationen. Förresten, i vårt separata material, läs mer om Higgs-bosonen, som har orsakat mycket buller, och andra elementarpartiklar.

Slutligen, här är några intressanta fakta om gravitation.

10 fakta om gravitation

För att övervinna jordens gravitationskraft måste en kropp ha en hastighet på 7,91 km/s. Detta är den första flykthastigheten. Det räcker med att en kropp (till exempel en rymdsond) rör sig i omloppsbana runt planeten.
För att fly från jordens gravitationsfält, rymdskepp måste ha en hastighet på minst 11,2 km/s. Detta är den andra flykthastigheten.
De föremål som har den starkaste gravitationen är svarta hål. Deras gravitation är så stark att de till och med attraherar ljus (fotoner).
Du kommer inte att hitta tyngdkraften i någon ekvation av kvantmekaniken. Faktum är att när man försöker inkludera gravitation i ekvationerna tappar de sin relevans. Detta är en av de mest viktiga problem modern fysik.
Ordet gravitation kommer från latinets "gravis", som betyder "tung".
Ju mer massivt föremålet är, desto starkare är gravitationen. Om en person som väger 60 kilo på jorden väger sig på Jupiter kommer vågen att visa 142 kilo.
NASA-forskare försöker utveckla en gravitationsstråle som gör att föremål kan flyttas utan kontakt och övervinna tyngdkraften.
Astronauter i omloppsbana upplever också gravitation. Mer exakt, mikrogravitation. De verkar falla oändligt tillsammans med skeppet de befinner sig i.
Tyngdkraften lockar alltid och stöter aldrig bort.
Det svarta hålet, lika stor som en tennisboll, drar till sig föremål med samma kraft som vår planet.

Nu vet du definitionen av gravitation och kan berätta vilken formel som används för att beräkna attraktionskraften. Om vetenskapens granit pressar dig till marken starkare än gravitationen, kontakta vår studenttjänst. Vi hjälper dig att studera enkelt under de tyngsta belastningarna!

Tyngdkraften är rymdens "krökning". Ju större massa, desto större "krökning" av rymden och, följaktligen, lättare föremål "rullar" in i denna "krökning". Alla föremål som kretsar kring solen hålls i sina banor av gravitationen. Men det fungerar inte bara som ett slags tjuder, utan blev också kraften som skapade dessa föremål. Tyngdkraften tillåter inte planeterna att välja den väg de själva väljer, genom att slinga sina banor. Men beroendet av denna kraft minskar exponentiellt - när den tas bort med två gånger försvagas påverkan med fyra gånger, och tredubbling av avlägsnandet försvagar kraften med nio gånger.

Newton associerade direkt gravitation med gravitation. En gravitationskraft appliceras på kroppen, vars källa är en annan kropp (eller kroppar), och gravitationsfältet som sådant existerar helt enkelt inte. Eftersom gravitationen hänvisar till den direkta interaktionen mellan kroppar, bestäms den av lagen om universell gravitation. Gravitationsfältet ges en villkorlig karaktär, nödvändig endast för beräkningar. För markförhållanden är detta helt acceptabelt.

Tyngdkraften från Einstein

Aristoteles beskrev gravitationsinflytandet. Han trodde att hastigheten med vilken ett föremål faller beror på dess massa. Men bara Galileo kunde förstå att vilken kropp som helst har samma accelerationsvärde. Och Einstein utvecklade detta uttalande i sin relativitetsteori, som beskrev gravitationen med begreppet rum-tidens geometri.

I den klassiska representationen har gravitationskraften mellan två punkter formen av ett beroende av massan av dessa punkter på avståndet i kvadrat mellan dem. Ju större kroppen är, desto större gravitationsfält kan den skapa.

Även om gravitationen är en mycket svag interaktion sträcker sig dess effekt till alla avstånd.

Gravitationsattraktion är universell i sin effekt på materia, det finns inga föremål som inte har det. Einstein postulerade att gravitationseffekter inte orsakas av kraftpåverkan från en kropp eller ett fält lokaliserat i rum-tiden, utan av förändringar i rum-tiden själv. Allt detta händer på grund av närvaron av massenergi. Enligt Einsteins teori är massa och energi en enda parameter för kroppar. De är förbundna med en välkänd formel: E = m c² Två massiva kroppar, som interagerar med varandra, kommer att böja rymden. Men varför denna krökning uppstår kunde Einstein inte ge något svar på. Tyngdkraften är, på grund av sin globala natur, ansvarig för storskaliga fenomen. Dessa är strukturer, det expanderande universum. Men också enkla fakta astronomi - planetbanor, gravitation, fallande kroppar - är också beroende av gravitationen.

Himmelsk mekanik

Denna del av mekaniken studerar rörelsen hos kroppar som befinner sig i tomma utrymmen, som endast påverkas av gravitationen. Sektionens enklaste uppgift är att underbygga gravitationspåverkan från två kroppar, spetsiga eller sfäriska, i det tomma utrymmet. Om det är fler kroppar som interagerar med varandra blir uppgiften mer komplicerad. Den numeriska lösningen leder till instabilitet av lösningar från initiala förhållanden. Det vill säga, om vi tillämpar det på vårt planetsystem kommer vi inte att kunna förutsäga planetrörelser under perioder som överstiger hundra miljoner år. Det är ännu inte möjligt att beskriva det långsiktiga beteendet hos ett system som består av många attraherande kroppar med liknande massor. Detta hindras av konceptet: dynamiskt kaos.

Gravitationsvågor

Gravitationsvågor är förändringar i gravitationsfältet som fortplantar sig som vågor. De emitteras av rörliga massor, men efter strålning separeras de från dem och existerar oberoende av dessa massor. Matematiskt relaterad till störningen av rumtidsmetrik och kan beskrivas som "rymdtidskrusningar". Gravitationsvågor förutsägs av allmän relativitet. De upptäcktes först direkt i september 2015 av LIGO:s tvillingdetektorer, som upptäckte gravitationsvågor som troligen produceras av två svarta hål som smälter samman för att bilda ett enda, mer massivt, roterande svart hål.

Graviton

Eftersom gravitationsinteraktion är närvarande måste den överföras på något sätt. På 1930-talet blev graviton en kandidatbärare. Denna partikel är fortfarande hypotetisk, men den bör ha ett spinn på 2 och två möjliga polarisationsriktningar. Vissa fysiker förnekar envist existensen av denna partikel. De föreslår: om det finns gravitoner, bör de sändas ut av svarta hål, och detta strider mot den allmänna relativitetsteorin. Men försök att utöka standardmodellen med sådana partiklar utgör verkliga utmaningar vid höga energier. Vissa teorier om kvantgravitation som utvecklas bygger på att lösa detta problem. Enligt deras positioner är gravitonerna strängarnas tillstånd och är inte på något sätt punktpartiklar. Men låga energier klassificerar dem fortfarande som punktpartiklar. Hittills har gravitoner inte upptäckts eftersom deras gravitationspåverkan är ovanligt svag.

Kvantgravitation

En universell kvantteori som skulle förklara själva begreppet gravitation har ännu inte utvecklats. För att representera gravitationsinteraktionen skulle det vara rimligt att föreslå ett gravitonutbyte där gravitoner fungerar som spin-2 gauge bosoner. Men en sådan teori anses inte vara tillfredsställande. På befintlig tid Det finns flera tillvägagångssätt som gör att gravitationen kan kvantiseras. Dessa tillvägagångssätt anses vara ganska lovande.

Strängteorin. Den ersätter rum-tidsbakgrundspartiklar med branes (som strängar). För att lösa flerdimensionella problem ses braner som redan flerdimensionella partiklar, men samtidigt är de strukturer av rum-tid. Gravitoner blir här tillstånd av strängar snarare än enskilda partiklar. Även om låga energier anses vara en av dem.
Slinga kvantgravitation. Här är tid och rum diskreta delar. De är inte bundna till bakgrunden av rum-tid, eftersom de är kvantceller. De är förbundna med varandra på ett sådant sätt att de på små tidsskalor framstår som en diskret struktur av rymden. När man förstorar skalan blir delarna smidigt kontinuerliga rum-tid. Loop gravitation kan beskriva essensen av Big Bang, samt kasta ljus över dess tröskel. Detta gör att du till och med kan göra utan att locka.

Starka gravitationsfält

I mycket starka gravitationsfält kan det finnas manifestationer av några effekter av allmän relativitet:

gravitationslagen avviker från Newtons
gravitationsvågor dyker upp
det finns olinjäritetseffekter
synlig rumtid ändrar sin geometri
uppkomsten av singulariteter och födelsen av svarta hål är möjlig.

Men sådana manifestationer kan bara ske om gravitationen har en oändligt mycket större kraft. Hittills är de tätaste föremålen i universum som har upptäckts. I en av många teorier anses gravitationsfältet vara grunden för vilket fält som helst - magnetiskt, elektriskt, gluon. I det här fallet blir gravitonerna materiens grundläggande beståndsdelar. Tja, ett svart hål är graviton, där tyngdkraften förstör absolut alla elementarpartiklar, utom gravitoner. Och bara en egenskap finns kvar - gravitationen.

Gravitationskollaps

När en massiv kropp, som upplever gravitationskrafter, komprimeras katastrofalt snabbt, kollapsar den. Så kan livet för en stjärna med en massa på mer än tre gånger solen sluta. När stjärnor får slut på bränsle för att fortsätta den termonukleära processen, störs deras mekaniska stabilitet och snabb, accelererad kompression sker mot den centrala delen. Om trycket inuti stjärnan, som ständigt växer, kan stoppa kompressionen, kommer den centrala delen av stjärnan att förvandlas till en neutronstjärna. I det här fallet kan skalet fällas och en supernova kan få utbrott. Men om stjärnan överskrider massan som bestäms av Oppenheimer-Volkov-gränsen, kommer kollapsen att sluta med att den förvandlas till ett svart hål. Värdet på denna gräns har ännu inte fastställts exakt.

Några paradoxer

En satellit som kretsar runt jorden är viktlös i förhållande till planeten. Och allt som finns i den är också viktlöst. , relativt, är återigen viktlös, men kropparna på dess yta har redan vikt. Det är samma sak med jorden. Den är relativt viktlös, men vi känner tyngden på den. Solen är också viktlös i förhållande till den galaktiska kärnan. Och så vidare i det oändliga.
I stjärnor, under termonukleära reaktioner, skapas ett enormt tryck. Men den hålls tillbaka av gravitationskrafter. Det vill säga existensen av en stjärna är möjlig eftersom det finns en dynamisk jämvikt: temperatur-tryck - gravitationskrafter.
I ett svart hål upphör alla processer utom en - gravitationen. Ingenting kan absorbera eller förvränga det.

Trots att gravitationen är den svagaste interaktionen mellan objekt i universum, är dess betydelse inom fysik och astronomi enorm, eftersom den kan påverka fysiska objekt på alla avstånd i rymden.

Om du är intresserad av astronomi har du säkert undrat vad ett sådant begrepp som gravitation eller universell gravitationslag är. Tyngdkraften är den universella grundläggande interaktionen mellan alla objekt i universum.

Upptäckten av gravitationslagen tillskrivs den berömda engelske fysikern Isaac Newton. Förmodligen känner många av er till historien om äpplet som föll på huvudet på den berömda vetenskapsmannen. Men om du tittar djupare in i historien kan du se att närvaron av gravitation tänktes på långt före hans era av filosofer och forskare från antiken, till exempel Epikuros. Det var dock Newton som först beskrev gravitationssamspelet mellan fysiska kroppar inom ramen för klassisk mekanik. Hans teori utvecklades av en annan berömd vetenskapsman - Albert Einstein, som i sin allmän teori relativitetsteori beskrev mer exakt gravitationens inflytande i rymden, såväl som dess roll i rum-tidskontinuumet.

Newtons universella gravitationslag säger att gravitationskraften mellan två masspunkter åtskilda av ett avstånd är omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet och direkt proportionell mot båda massorna. Tyngdkraften är långväga. Det vill säga, oavsett hur en kropp med massa rör sig, kommer dess gravitationspotential inom klassisk mekanik att bero enbart på positionen för detta objekt vid ett givet ögonblick. Ju större massa ett föremål har, desto större gravitationsfält - desto kraftigare gravitationskraft har det. Rymdobjekt som galaxer, stjärnor och planeter har största styrka attraktion och följaktligen tillräckligt starka gravitationsfält.

Gravitationsfält

Jordens gravitationsfält

Gravitationsfältet är det avstånd inom vilket gravitationsinteraktion sker mellan objekt i universum. Ju större massa ett föremål har, desto starkare dess gravitationsfält - desto mer märkbar dess påverkan på andra fysiska kroppar inom ett visst utrymme. Ett föremåls gravitationsfält är potential. Kärnan i det tidigare uttalandet är att om du introducerar den potentiella attraktionsenergin mellan två kroppar, kommer den inte att förändras efter att ha flyttat den senare längs en sluten slinga. Härifrån kommer en annan berömd lag för bevarande av summan av potentiell och kinetisk energi i en sluten slinga.

I den materiella världen är gravitationsfältet av stor betydelse. Det ägs av alla materiella föremål i universum som har massa. Gravitationsfältet kan påverka inte bara materia utan också energi. Det är på grund av påverkan av gravitationsfälten hos så stora kosmiska objekt som svarta hål, kvasarer och supermassiva stjärnor som solsystem, galaxer och andra astronomiska kluster bildas, som kännetecknas av en logisk struktur.

Nya vetenskapliga data visar att den berömda effekten av universums expansion också är baserad på lagarna för gravitationell interaktion. I synnerhet underlättas universums expansion av kraftfulla gravitationsfält, både av dess små och största föremål.

Gravitationsstrålning i ett binärt system

Gravitationsstrålning eller gravitationsvåg är en term som först introducerades i fysik och kosmologi av den berömda vetenskapsmannen Albert Einstein. Gravitationsstrålning i gravitationsteorin genereras av rörelse av materiella föremål med variabel acceleration. Under accelerationen av ett föremål tycks en gravitationsvåg "bryta sig loss" från det, vilket leder till svängningar av gravitationsfältet i det omgivande rymden. Detta kallas gravitationsvågseffekten.

Även om gravitationsvågor förutsägs av Einsteins allmänna relativitetsteori såväl som andra teorier om gravitation, har de aldrig direkt upptäckts. Detta beror främst på deras extrema litenhet. Men inom astronomi finns det indirekta bevis som kan bekräfta denna effekt. Således kan effekten av en gravitationsvåg observeras i exemplet med tillvägagångssättet dubbla stjärnor. Observationer bekräftar att dubbelstjärnornas konvergenshastighet i viss mån beror på förlusten av energi från dessa kosmiska objekt, som förmodligen spenderas på gravitationsstrålning. Forskare kommer att på ett tillförlitligt sätt bekräfta denna hypotes inom en snar framtid med hjälp av den nya generationen avancerade LIGO- och VIRGO-teleskop.

I modern fysik finns det två begrepp inom mekanik: klassisk och kvant. Kvantmekanik utvecklades relativt nyligen och skiljer sig fundamentalt från klassisk mekanik. Inom kvantmekaniken har objekt (kvanta) inga bestämda positioner och hastigheter, allt här är baserat på sannolikhet. Det vill säga att ett föremål kan uppta en viss plats i rymden vid en viss tidpunkt. Var han kommer att flytta härnäst kan inte bestämmas tillförlitligt, men endast med en hög grad av sannolikhet.

En intressant effekt av gravitationen är att den kan böja rum-tidskontinuumet. Einsteins teori säger att i rymden runt en massa energi eller något materiellt ämne är rum-tiden krökt. Följaktligen förändras banan för partiklar som faller under påverkan av gravitationsfältet för detta ämne, vilket gör det möjligt att förutsäga banan för deras rörelse med en hög grad av sannolikhet.

Teorier om gravitation

Idag känner forskare till över ett dussin olika teorier om gravitation. De är uppdelade i klassiska och alternativa teorier. Den mest kända representanten för den förstnämnda är den klassiska gravitationsteorin av Isaac Newton, som uppfanns av den berömda brittiska fysikern redan 1666. Dess essens ligger i det faktum att en massiv kropp inom mekaniken genererar ett gravitationsfält runt sig, som attraherar mindre föremål. I sin tur har de senare också ett gravitationsfält, som alla andra materiella föremål i universum.

Nästa populära gravitationsteori uppfanns av den världsberömda tyske vetenskapsmannen Albert Einstein i början av 1900-talet. Einstein kunde mer exakt beskriva gravitation som ett fenomen och också förklara dess verkan inte bara i klassisk mekanik, utan också i kvantvärlden. Hans allmänna relativitetsteori beskriver förmågan hos en kraft som gravitation att påverka rum-tidskontinuumet, såväl som elementarpartiklarnas bana i rymden.

Bland de alternativa gravitationsteorierna förtjänar kanske den relativistiska teorin, som uppfanns av vår landsman, den berömda fysikern A.A., den största uppmärksamheten. Logunov. Till skillnad från Einstein hävdade Logunov att gravitationen inte är ett geometriskt, utan ett verkligt, ganska starkt fysiskt kraftfält. Bland de alternativa teorierna om gravitation är skalär, bimetrisk, kvaslinjär och andra också kända.

För människor som har varit i rymden och återvänt till jorden är det till en början ganska svårt att vänja sig vid styrkan hos vår planets gravitationsinflytande. Ibland tar detta flera veckor.
Det har det bevisats människokropp i ett tillstånd av viktlöshet kan förlora upp till 1% av benmärgsmassan per månad.
Bland planeterna i solsystemet har Mars den minsta gravitationskraften och Jupiter den största.
De kända salmonellabakterierna, som orsakar tarmsjukdomar, beter sig mer aktivt i ett tillstånd av viktlöshet och kan orsaka till människokroppen mycket mer skada.
Bland alla kända astronomiska objekt i universum har svarta hål den största gravitationskraften. Ett svart hål lika stort som en golfboll kan ha samma gravitationskraft som hela vår planet.
Tyngdkraften på jorden är inte densamma i alla hörn av vår planet. Till exempel, i Hudson Bay-regionen i Kanada är det lägre än i andra regioner i världen.

Don DeYoung

Tyngdkraften (eller gravitationen) håller oss stadigt på jorden och låter jorden kretsa runt solen. Tack vare denna osynliga kraft faller regn på jorden, och vattennivån i havet stiger och faller varje dag. Tyngdkraften håller jorden i en sfärisk form och förhindrar även vår atmosfär från att fly ut i rymden. Det verkar som om denna attraktionskraft som observeras varje dag borde studeras väl av forskare. Men nej! På många sätt förblir gravitationen vetenskapens djupaste mysterium. Denna mystiska kraft är ett anmärkningsvärt exempel på hur begränsad modern vetenskaplig kunskap är.

Vad är gravitation?

Isaac Newton var intresserad av denna fråga redan 1686 och kom fram till att gravitationen är den attraktionskraft som finns mellan alla föremål. Han insåg att samma kraft som får äpplet att falla till marken är i sin bana. Faktum är att jordens gravitationskraft gör att månen avviker från sin raka bana med ungefär en millimeter varje sekund när den kretsar runt jorden (Figur 1). Newtons universella gravitationslag är en av de största vetenskapliga upptäckterna genom tiderna.

Tyngdkraften är "repet" som håller föremål i omloppsbana

Bild 1. Illustration av månens bana, inte skalenlig. Varje sekund färdas månen cirka 1 km. Över detta avstånd avviker den från den raka banan med cirka 1 mm - detta sker på grund av jordens gravitationskraft (streckad linje). Månen tycks ständigt falla bakom (eller runt) jorden, precis som planeterna faller runt solen.

Tyngdkraften är en av de fyra grundläggande naturkrafterna (tabell 1). Observera att av de fyra krafterna är denna kraft den svagaste, och ändå är den dominerande i förhållande till stora rymdobjekt. Som Newton visade, blir den attraktiva gravitationskraften mellan två massor mindre och mindre när avståndet mellan dem blir större och större, men den når aldrig helt noll (se "Gravitationens design").

Därför attraherar varje partikel i hela universum faktiskt varannan partikel. Till skillnad från krafterna från svaga och starka kärnväxelverkan är attraktionskraften långväga (tabell 1). Den magnetiska kraften och den elektriska kraften är också långväga krafter, men gravitationen är unik genom att den är både långväga och alltid attraktiv, vilket innebär att den aldrig kan ta slut (till skillnad från elektromagnetism, där krafter antingen kan attrahera eller stöta bort) .

Från och med den store skapelseforskaren Michael Faraday 1849, har fysiker ständigt letat efter den dolda kopplingen mellan tyngdkraften och kraften av elektromagnetisk interaktion. För närvarande försöker forskare kombinera alla fyra grundläggande krafter i en ekvation eller den så kallade "teorin om allt", men utan resultat! Tyngdkraften förblir den mest mystiska och minst studerade kraften.

Tyngdkraften kan inte skyddas på något sätt. Oavsett sammansättningen av den blockerande partitionen har den ingen effekt på attraktionen mellan två separerade objekt. Detta innebär att det är omöjligt att skapa en antigravitationskammare under laboratorieförhållanden. Tyngdkraften beror inte på kemisk sammansättning föremål, men beror på deras massa, för oss känd som vikt (tyngdkraften på ett föremål är lika med vikten av det föremålet - ju större massa, desto större kraft eller vikt.) Block bestående av glas, bly, is eller till och med frigolit, och som har samma massa, kommer att uppleva (och utöva) samma gravitationskraft. Dessa data erhölls under experiment, och forskarna vet fortfarande inte hur de teoretiskt kan förklaras.

Design i gravitation

Kraften F mellan två massor m 1 och m 2 belägna på ett avstånd r kan skrivas som formeln F = (G m 1 m 2)/r 2

Där G är gravitationskonstanten som först mättes av Henry Cavendish 1798.1

Denna ekvation visar att gravitationen minskar när avståndet, r, mellan två objekt blir större, men aldrig helt når noll.

Den omvända kvadratlagskaraktären hos denna ekvation är helt enkelt fascinerande. Det finns trots allt ingen nödvändig anledning till varför gravitationen ska agera som den gör. I ett oordnat, slumpmässigt och utvecklande universum verkar godtyckliga krafter som r 1.97 eller r 2.3 mer sannolika. Exakta mätningar visade dock en exakt potens, med minst fem decimaler, på 2,00000. Som en forskare sa verkar detta resultat "för exakt".2 Vi kan dra slutsatsen att tyngdkraften indikerar en exakt, skapad design. Faktum är att om graden avviker ens lite från 2, skulle planeternas banor och hela universum bli instabila.

Länkar och anteckningar

Tekniskt sett är G = 6.672 x 10 –11 Nm 2 kg –2
Thompsen, D., "Mycket exakt om gravitationen", Vetenskapsnyheter 118(1):13, 1980.

Så vad är gravitation egentligen? Hur kan denna kraft verka i ett så stort, tomt utrymme? Och varför finns det ens? Vetenskapen har aldrig kunnat svara på dessa grundläggande frågor om naturlagarna. Attraktionskraften kan inte uppstå långsamt genom mutation eller naturligt urval. Det har varit i kraft ända sedan universums början. Liksom alla andra fysiska lagar är gravitationen utan tvekan ett anmärkningsvärt bevis på planerat skapande.

Vissa forskare har försökt förklara gravitationen med hjälp av osynliga partiklar, gravitoner, som rör sig mellan föremål. Andra talade om kosmiska strängar och gravitationsvågor. Nyligen kunde forskare som använde ett speciellt skapat LIGO-laboratorium (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) bara se effekten av gravitationsvågor. Men naturen hos dessa vågor, hur fysiskt föremål interagerar med varandra över stora avstånd, förändrar deras försprång, är fortfarande en stor fråga för alla. Vi vet helt enkelt inte ursprunget till gravitationskraften och hur den upprätthåller stabiliteten i hela universum.

Tyngdkraften och Skriften

Två stycken ur Bibeln kan hjälpa oss att förstå gravitationens natur och fysisk vetenskap i allmänhet. Det första stycket, Kolosserna 1:17, förklarar att Kristus "det finns först och främst, och allt beror på Honom". Det grekiska verbet står (συνισταω sunistao) betyder: att vidhäfta, att hålla eller att hållas samman. Den grekiska användningen av detta ord utanför Bibeln betyder ett kärl som innehåller vatten. Ordet som används i Kolosserbrevet är i perfekt tid, vilket i allmänhet indikerar ett nuvarande pågående tillstånd som har uppstått från en avslutad tidigare handling. En av de fysiska mekanismerna i fråga är helt klart tyngdkraften, etablerad av Skaparen och ofelbart upprätthållen idag. Föreställ dig bara: om tyngdkraften skulle upphöra för ett ögonblick skulle kaos utan tvekan uppstå. Alla himlakroppar, inklusive jorden, månen och stjärnorna, skulle inte längre hållas samman. Allt skulle genast delas upp i separata, små delar.

Det andra skriftstället, Hebreerbrevet 1:3, förklarar att Kristus "Han upprätthåller allt genom sin makts ord." Ord håller (φερω pherō) beskriver återigen stödet eller bevarandet av allt, inklusive gravitationen. Ord håller, som det används i den här versen, betyder mycket mer än att bara hålla vikten. Det innebär kontroll över alla rörelser och förändringar som sker inom universum. Denna oändliga uppgift utförs genom Herrens allsmäktige ord, genom vilket universum självt började existera. Tyngdkraften, en "mystisk kraft" som fortfarande är dåligt förstådd efter fyra hundra år av forskning, är en manifestation av denna fantastiska gudomliga omsorg om universum.

Förvrängningar av tid och rum och svarta hål

Einsteins allmänna relativitetsteori ser inte gravitationen som en kraft, utan som krökningen av själva rymden nära ett massivt föremål. Ljus, som traditionellt följer raka linjer, förutspås böjas när det passerar genom krökt utrymme. Detta visades först när astronomen Sir Arthur Eddington upptäckte en förändring i en stjärnas skenbara position under total förmörkelse 1919, i tron att ljusstrålar böjs av solens gravitation.

Allmän relativitetsteori förutspår också att om en kropp är tillräckligt tät kommer dess gravitation att förvränga rymden så mycket att ljus inte alls kan passera genom den. En sådan kropp absorberar ljus och allt annat som fångas av dess starka gravitation, och kallas för ett svart hål. En sådan kropp kan endast upptäckas genom dess gravitationseffekter på andra föremål, genom den starka böjningen av ljus runt den och genom den starka strålning som sänds ut av materia som faller på den.

All materia inuti ett svart hål komprimeras i mitten, som har oändlig densitet. Hålets ”storlek” bestäms av händelsehorisonten, d.v.s. en gräns som omger mitten av ett svart hål, och ingenting (inte ens ljus) kan fly bortom det. Hålets radie kallas Schwarzschild-radien, efter den tyske astronomen Karl Schwarzschild (1873–1916), och beräknas med formeln RS = 2GM/c 2, där c är ljusets hastighet i vakuum. Om solen skulle falla ner i ett svart hål skulle dess Schwarzschild-radie bara vara 3 km.

Det finns goda bevis för att efter att en massiv stjärna har slut på kärnbränsle kan den inte längre motstå att kollapsa under sin egen enorma vikt och faller ner i ett svart hål. Svarta hål med massan av miljarder solar tros existera i galaxernas centrum, inklusive vår egen galax, Vintergatan. Många forskare tror att superljusa och mycket avlägsna föremål som kallas kvasarer utnyttjar den energi som frigörs när materia faller in i ett svart hål.

Enligt den allmänna relativitetsteoriens förutsägelser förvränger gravitationen också tiden. Detta har också bekräftats av mycket exakta atomklockor, som går några mikrosekunder långsammare vid havsnivån än i områden över havet, där jordens gravitation är något svagare. Nära händelsehorisonten är detta fenomen mer märkbart. Om vi tittar på en astronaut när han närmar sig händelsehorisonten kommer vi att se att klockan går långsammare. Väl inne i händelsehorisonten stannar klockan, men vi kommer aldrig att kunna se den. Omvänt kommer en astronaut inte att märka att hans klocka går långsammare, men han kommer att se att vår klocka går snabbare och snabbare.

Den största faran för en astronaut nära ett svart hål skulle vara tidvattenkrafter orsakade av att gravitationen är starkare på delar av kroppen som är närmare det svarta hålet än på delar längre bort från det. Kraften hos tidvattenkrafter nära ett svart hål med massan av en stjärna är starkare än någon orkan och river lätt i små bitar allt som kommer i deras väg. Men medan gravitationsattraktionen minskar med kvadraten på avståndet (1/r 2), minskar tidvatteninverkan med avståndskuben (1/r 3). Därför, i motsats till konventionell visdom, är gravitationskraften (inklusive tidvattenkraften) vid händelsehorisonten för stora svarta hål svagare än vid små svarta hål. Så tidvattenkrafter vid händelsehorisonten för ett svart hål i observerbart utrymme skulle vara mindre märkbara än den mildaste brisen.

Tyngdkraftens sträckning av tiden nära händelsehorisonten är grunden för skapelsefysikern Dr Russell Humphreys nya kosmologiska modell, som han beskriver i sin bok Starlight and Time. Denna modell kan hjälpa till att lösa problemet med hur vi kan se ljuset från avlägsna stjärnor i det unga universum. Dessutom är det idag ett vetenskapligt alternativ till det icke-bibliska, som bygger på filosofiska antaganden som går utanför vetenskapens ram.

Notera

Tyngdkraften, en "mystisk kraft" som, även efter fyrahundra års forskning, fortfarande är dåligt förstådd...

Isaac Newton (1642–1727)

Foto: Wikipedia.org

Isaac Newton (1642–1727)

Isaac Newton publicerade sina upptäckter om gravitation och himlakroppars rörelse 1687, i sitt berömda verk " Matematiska principer" Vissa läsare drog snabbt slutsatsen att Newtons universum inte lämnade något utrymme för Gud, eftersom allt nu kunde förklaras med hjälp av ekvationer. Men Newton trodde inte alls så, som han sa i den andra upplagan av detta berömda verk:

"Vår vackraste solsystem, planeter och kometer kan bara vara resultatet av planen och dominansen av en intelligent och kraftfull varelse."

Isaac Newton var inte bara en vetenskapsman. Förutom vetenskapen ägnade han nästan hela sitt liv åt att studera Bibeln. Hans favoritböcker i Bibeln var Daniels bok och Uppenbarelseboken, som beskriver Guds planer för framtiden. Faktum är att Newton skrev fler teologiska verk än vetenskapliga.

Newton var respektfull mot andra forskare som Galileo Galilei. Förresten, Newton föddes samma år som Galileo dog, 1642. Newton skrev i sitt brev: ”Om jag såg längre än andra var det för att jag stod på axlar jättar." Strax före sin död, förmodligen reflekterande över gravitationens mysterium, skrev Newton blygsamt: "Jag vet inte hur världen uppfattar mig, men för mig själv verkar jag bara som en pojke som leker på stranden, som roar sig med att ibland hitta en sten som är mer färgstark än de andra, eller ett vackert skal, medan ett enormt hav av outforskad sanning."

Newton ligger begravd i Westminster Abbey. Den latinska inskriptionen på hans grav slutar med orden: "Låt dödliga glädja sig över att en sådan utsmyckning av människosläktet levde bland dem.".

Du har säkert hört att gravitation inte är en kraft. Och det är sant. Denna sanning lämnar dock många frågor. Vi brukar till exempel säga att gravitationen "drar" föremål. I fysikklassen fick vi veta att gravitationen drar föremål mot jordens centrum. Men hur är detta möjligt? Hur kan gravitationen inte vara en kraft, men ändå attrahera föremål?

Det första att förstå är att den korrekta termen är "acceleration" och inte "attraktion". Tyngdkraften attraherar faktiskt inte objekt alls, den deformerar rum-tidssystemet (systemet som vi lever efter), objekt följer vågorna som bildas till följd av deformationen och kan ibland accelerera.

Tack vare Albert Einstein och hans relativitetsteori vet vi att rum-tid förändras under inflytande av energi. Och den viktigaste delen av denna ekvation är massa. Energin i ett föremåls massa gör att rumtiden förändras. Massa böjer rumtiden, och de resulterande böjningarna kanaliserar energi. Således är det mer korrekt att tänka på gravitationen inte som en kraft, utan som en krökning av rum-tiden. Precis som en gummibeläggning böjs under ett bowlingklot, böjs rumtiden av massiva föremål.

Precis som en bil färdas längs en väg med olika kurvor och svängar, rör sig föremål längs liknande kurvor och kurvor i rum och tid. Och precis som en bil accelererar nedför en backe skapar massiva föremål extrema kurvor i rum och tid. Tyngdkraften kan accelerera föremål när de kommer in i djupa gravitationsbrunnar. Denna väg som objekt följer genom rumtiden kallas en "geodesisk bana".

För att bättre förstå hur gravitationen fungerar och hur den kan accelerera föremål, överväga platsen för jorden och månen i förhållande till varandra. Jorden är ett ganska massivt föremål, åtminstone jämfört med månen, och vår planet får rumtiden att böjas. Månen kretsar runt jorden på grund av förvrängningar i rum och tid orsakade av planetens massa. Således färdas månen helt enkelt längs den resulterande krökningen i rum-tiden, som vi kallar en bana. Månen känner ingen kraft som verkar på den, den följer helt enkelt en viss väg som har uppstått.