Mikä aiheuttaa painovoiman maan päällä?

Sisältö

• Lyhyt painovoimahistoria
• Painovoiman teoriat
• Einsteinsin suhteellisuusteoria
• Maan painovoima ja sen jälkeen

Suurimmalla osalla ihmisiä, tieteellisesti suuntautuneita tai muuten, on ainakin epämääräinen käsitys siitä, että jokin määrä tai käsite, jota kutsutaan "painovoimaksi", pitää esineet, mukaan lukien itsensä, sidottuna Maahan. He ymmärtävät, että tämä on siunaus yleensä, mutta vähemmän tietyissä tilanteissa - sanoen ollessaan puun oksalla ja ollessaan hieman epävarma siitä, kuinka päästä takaisin maahan sietämättä tai kun yritetään asettaa uutta henkilökohtaista ennätystä tapahtuma kuten korkeushyppy tai napaholvi.

Itse painovoiman käsitettä on ehkä vaikea arvioida, ennen kuin näemme, mitä tapahtuu, kun sen vaikutus vähenee tai häviää, esimerkiksi kun katsotaan astronautien kuvausta avaruusasemalla, joka kiertää kaukana maapallon pinnasta. Ja totta, fyysikoilla ei ole juurikaan käsitystä siitä, mikä lopulta "aiheuttaa" painovoiman, enemmän kuin he voivat kertoa meille miksi maailmankaikkeus on ensisijaisesti olemassa. Fyysikot ovat kuitenkin tuottaneet yhtälöitä, jotka kuvaavat mitä painovoima tekee poikkeuksellisen hyvin, ei vain maapallolla, mutta koko kosmossa.

Lyhyt painovoimahistoria

Muinaiskreikkalaiset ajattelijat keksivät yli 2000 vuotta sitten paljon ideoita, jotka ovat pitkälti kestäneet ajantestin ja säilyneet nykyaikaisena. He havaitsivat, että kaukaiset esineet, kuten planeetat ja tähdet (todelliset etäisyydet maapallosta, joita tarkkailijoilla ei tietenkään ollut tiensä tietää), olivat käytännössä fyysisesti sidoksissa toisiinsa, vaikka oletettavasti niillä ei ollut mitään yhdistäviä kaapeleita tai köysiä. yhdessä. Muita teorioita puuttuessa kreikkalaiset ehdottivat, että auringon, kuu, tähdet ja planeetat liikkuivat jumalien päähänsä. (Itse asiassa kaikki planeetat tietävät noina päivinä nimeltään jumalien mukaan.) Vaikka tämä teoria oli siisti ja päättäväinen, se ei ollut testattavissa, ja siksi se ei ollut muuta kuin stand-in tyydyttävämpää ja tieteellisesti tiukkaa selitystä varten.

Vasta noin 300–400 vuotta sitten tähtitieteilijät, kuten Tycho Brahe ja Galileo Galilei, tunnustivat, että toisin kuin tuolloin 15 vuosisadan ikäisille raamatullisille opetuksille, maa ja planeetat pyörittivät aurinkoa sen sijaan, että maa olisi lähellä maailmankaikkeuden keskipiste. Tämä loi tietä painovoiman tutkinnalle sellaisena kuin se nykyään ymmärretään.

Painovoiman teoriat

Yksi tapa ajatella esineiden välistä painovoimaa, jonka myöhäinen teoreettinen fyysikko Jacob Bekenstein on ilmaissut CalTechille, on "pitkän kantaman voimat, joita sähköisesti neutraalit elimet kohdistavat toisiinsa niiden aineen sisällön vuoksi". Toisin sanoen, vaikka esineet voivat kokea voiman sähköstaattisen varauksen erojen seurauksena, painovoima johtaa sen sijaan pelkän massan aiheuttamaan voimaan. Teknisesti sinä ja tietokone, puhelin tai tabletti, jota luet, kohdistat gravitaatiovoimia toisiinsa, mutta sinä ja Internet-yhteensopiva laite olette niin pieniä, että tätä voimaa ei käytännössä voida havaita. On selvää, että planeettojen, tähtien, kokonaisten galaksien ja jopa galaksiklusterien mittaisilla esineillä se on erilainen tarina.

Isaac Newton (1642-1727), jonka mielestä on yksi historian loistavimmista matemaattisista mieleistä ja yksi laskenta-alan keksijöistä, ehdotti, että kahden esineen välinen painovoima on suoraan verrannollinen niiden tuotteeseen massat ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Tämä tapahtuu yhtälön muodossa:

F_grav = (G × m₁ × m₂) / R²

missä F_grav on painovoima newtonissa, m₁ ja m₂ ovat esineiden massat kilogrammoina, r on esineiden erottava etäisyys metreinä ja suhteellisuusvakion G arvo on 6,67 × 10^-11 (N 'm²) / Kg².

Vaikka tämä yhtälö toimii erinomaisesti jokapäiväisiin tarkoituksiin, sen arvo pienenee, kun kyseiset esineet ovat relativistisia, eli massat ja nopeudet kuvaavat kaukana tyypillisestä ihmisen kokemuksesta. Täältä tulee Einsteinsin painovoimateoria.

Einsteinsin suhteellisuusteoria

Vuonna 1905 Albert Einstein, jonka nimi on kenties tunnetuin tieteen historiassa ja kaikkein synonyymi nero-tason hitteille, julkaisi erityisen suhteellisuusteoriansa. Muiden tämän vaikutuksen olemassa olevaan fysiikan osaamiseen se asetti kyseenalaiseksi Newtonin painovoiman käsitteeseen sisäänrakennetun oletuksen, joka on, että tosiasiallisesti painovoima toimi hetkessä esineiden välillä riippumatta niiden erottelun laajuudesta. Einsteinsin laskelmien jälkeen valon nopeus oli 3 × 10⁸ m / s tai noin 186 000 mailia sekunnissa, asetti ylärajan siihen, kuinka nopeasti jotain voidaan levittää avaruudessa, Newtonin ideat näyttivät yhtäkkiä haavoittuvilta, ainakin tietyissä tapauksissa. Toisin sanoen, vaikka Newtonin gravitaatioteoria jatkoi ihailtavaa toimintansa melkein kaikissa kuviteltavissa olevissa miinuksissa, se ei selvästikään ollut yleisesti totta kuvausta painovoimasta.

Einstein vietti seuraavan kymmenen vuoden ajan uuden teorian laatimisen, sellaisen, joka sovittaa Newtonin perusgravitaatiokehyksen yhteen ylärajan valon nopeuden kanssa, joka asetettiin tai näytti asettavan kaikille maailmankaikkeuden prosesseille. Tuloksena, jonka Einstein esitteli vuonna 1915, oli yleinen suhteellisuusteoria. Tämän teorian voitto, joka muodostaa perustan kaikille gravitaatioteorioille nykypäivään, on, että se muotoili gravitaation käsityksen avaruus-ajan kaarevuuden osoituksena, ei sinänsä voimana. Tämä idea ei ollut aivan uusi; matemaatikko Georg Bernhard Riemann oli tuottanut aiheeseen liittyviä ajatuksia vuonna 1854. Mutta Einstein oli siten muuttanut gravitaatioteorian jostakin puhtaasti fyysisissä voimissa juurtuneesta jostakin geometriapohjaisempaan teoriaan: Se ehdotti tosiasiallista neljättä ulottuvuutta, aikaa, kolmen alueellisen ulottuvuuden seuraamiseksi. jotka olivat jo tuttuja.

Maan painovoima ja sen jälkeen

Yksi Einsteinsin suhteellisuusteorian vaikutuksista on, että painovoima toimi riippumatta esineiden massasta tai fyysisestä koostumuksesta. Tämä tarkoittaa, että mm. Pilvenpiirtäjän yläpuolelta pudonnut tykinkuula ja marmori putoavat kohti maata samalla nopeudella, kiihtyen täsmälleen samassa määrin painovoiman avulla huolimatta siitä, että yksi on paljon massiivisempi kuin toinen . (Täydellisyyden vuoksi on tärkeää huomata, että tämä on teknisesti totta vain tyhjiössä, jossa ilman vastus ei ole ongelma. Sulka putoaa selvästi hitaammin kuin laukaus laittaa, mutta tyhjiössä tämä ei olisi tilanne .) Tämä Einsteins-idean näkökohta oli riittävän testattavissa. Entä relativistiset tilanteet?

Heinäkuussa 2018 kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä päätti tutkimuksen kolmen tähden järjestelmästä 4200 valovuoden päässä Maasta. Valovuosi on etäisyys, jonka valo kulkee yhden vuoden aikana (noin kuusi biljoonaa mailia). Tämä tarkoittaa, että tähtitieteilijät täällä Maapallolla tarkkailivat valoa paljastavia ilmiöitä, jotka tosiasiallisesti tapahtuivat noin 2 200 B.C. Tämä epätavallinen järjestelmä koostuu kahdesta pienestä, tiheästä tähdestä - toisesta "pulsarista", joka pyörii akselillaan 366 kertaa sekunnissa, ja toisesta valkoisesta kääpiöstä -, joka kiertää toisiaan huomattavan lyhyellä, 1,6 päivän jaksolla. Tämä pari puolestaan ​​kiertää kauempana olevaa valkoista kääpiötähtiä joka 327 päivä. Lyhyesti sanottuna, ainoa gravitaation kuvaus, joka pystyi ottamaan huomioon kolmen tähden keskinäiset frenettiset liikkeet tässä erittäin epätavallisessa järjestelmässä, oli Einsteinsin yleinen suhteellisuusteoria - ja yhtälöt todellakin sopivat tilanteeseen täydellisesti.