Gravitation

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi

Jordens gravitations afvigelse fra det forventede, under antagelse at jorden er kugleformet. De gul-orange-rød områder har højere gravitation end forventet. De turkis-blå områder har mindre.

I klassisk mekanik er gravitation en tiltrækningskraft som er mellem alle partikler (stof) med masse i universet. Resultatet af gravitationen er tyngdekraften.

I Einsteins almene relativitetsteori er gravitation ikke en kraft, men en egenskab ved rummet - eller mere eksakt rumtiden. Faktisk bliver enhver form for energi i bevægelse (f.eks. fotoner; lys) "bøjet" om enhver form for energi (f.eks. masser)! Det skyldes netop ikke "tyngdekraften", fordi fotoner ikke har masse. Men fordi rummet krummer om enhver form for energi, vil lyset følge rummets krumning.

Indholdsfortegnelse

1 Gravitation i klassisk mekanik
- 1.1 Newtons universelle gravitationslov
- 1.2 Potentiel energi i tyngdefeltet
2 Gravitation i den generelle relativitetsteori
- 2.1 Gravitation, solsystemer, galakser og universet
3 Kilder/referencer
4 Se også
5 Eksterne henvisninger

[redigér] Gravitation i klassisk mekanik

I klassisk mekanik antages det at tyngdekraftens virkninger udbreder sig øjeblikkeligt i hele universet. Dette er ikke korrekt, men en god antagelse til mange praktiske formål.

Tyngdekraften holder objekter på planeternes overflade, og kombineret med inertiens lov er den ansvarlig for at holde objekter i kredsløb om hinanden.

[redigér] Newtons universelle gravitationslov

Den engelske fysiker Isaac Newton forklarer, "Ethvert objekt i universet tiltrækker ethvert andet objekt med en kraft med retning langs linjen gennem objekternes centre og som er proportional til produktet af deres masser og omvendt proportional til kvadratet af afstanden mellem objekterne.":

$F = \frac{G \cdot m_1 \cdot m_2}{r^2}$

hvor:

F = gravitationskraften mellem objekterne i newton.
m₁ = det første objekts masse i kg.
m₂ = det andet objekts masse i kg.
r = afstanden mellem objekternes massecentre i meter.
G = Den universelle gravitationskonstant. Den er ca.= 6,67390·10^-11 N·m²/kg²

Til at starte med havde Newton fundet denne formel for uendeligt små, punktformede legemer - som udgangspunkt burde den altså "kun" kunne bruges på himmellegemer hvis disse var "forsvindende små" sammenlignet med afstanden imellem dem. Det hævdes, at Newton tav om sin formel, indtil han havde bevist at formlen også kan bruges direkte på massecentrene i to kugleformede legemer med homogen massetæthed.

[redigér] Potentiel energi i tyngdefeltet

To legemer med masserne m₁ og m₁ i en vis afstand r fra hinanden besidder en vis mængde potentiel energi ("beliggenhedsenergi"), populært sagt fordi det ene legeme kan "falde ned på" det andet. Størrelsen af den potentielle energi alene er altid negativ, og i øvrigt givet ved:

$E_{pot} = -\frac{G \cdot m_1 \cdot m_2}{r}$

De to legemer "skylder" tilsyneladende potentiel energi "væk": Hvis deres hastighed er mindre end den såkaldte undvigelseshastighed, besidder de ikke kinetisk energi ("bevægelsesenergi") nok til at opveje "gælden" i potentiel energi. I den situation vil de to legemer bevæge sig i elliptiske baner omkring hinanden, bundet sammen af tyngdekræfterne imellem dem.

[redigér] Gravitation i den generelle relativitetsteori

Einstein's relativitetsteori forudsiger at gravitationens udbredelseshastighed skal være konsistent med lysets hastighed. Gravitationens udbredelseshastighed kan derfor ikke være større end lysets hastighed (f.eks. øjeblikkelig). Et objekts tyngdefelt eller rettere graviations virke, er med tiden hele universet.

Illustration af en større masses rumtidskrumning, der ikke roterer.

Illustration af en større roterende masses rumtidskrumning. Rumtidsforvrængningen er stærkt overdrevet for at gøre den synlig.

I Einsteins generelle relativitetsteori er gravitationen ikke en kraft, men en egenskab ved rummet - eller mere eksakt rumtiden. Faktisk bliver enhver form for energi i bevægelse (f.eks. fotoner; lys) "bøjet" om enhver form for energi (f.eks. masser)! Det skyldes netop ikke "tyngdekraften", fordi fotoner ikke har masse. Men fordi rummet krummer om enhver form for energi, vil lyset følge rummets krumning.

Det samme med vores solsystems planeters bane om solen. Planeterne bliver ikke tiltrukket af solen selv, men følger blot rumtidskrumningen som udbreder sig fra solen.

Illustration af 2 neutronstjerner som spirallerer tæt om hinanden og som udsender gravitationsbølger ifølge Einsteins relativitetsteori og som konsekvens falder mod hinanden. Det skal bemærkes, at man endnu ikke har påvist/målt gravitationsbølger - rettere rumtidsbølger, selv efter mange forsøg. Illustrationens bølger burde have aftaget med afstanden fra massecenteret.

Einsteins generelle relativitetsteori er en bedre univers model end den klassiske mekanik, da den er mere konsistent med mange fysiske fænomener - f.eks.:

Merkurs bane om solen.
Sorte huller.
Et par neutronstjerners spirallering mod hinanden passer meget nøjagtig med Einsteins ligningers forudsigelser.^[1]

Men der er stadig nogle fysiske observationer, som endnu ikke er forklaret tilfredsstillende med Einsteins generelle relativitetsteori:

[redigér] Gravitation, solsystemer, galakser og universet

Man har lige fra 1930'erne haft problemer med at få den radiosynlige del af galaksernes masse til at passe med galaksernes rotation. Kombineret med Einsteins generelle relativitetsteori, passer det man ser ikke - galaksernes stjerner burde flyve ud af den, men det gør de ikke. ^[2]

Et andet problem man har er, at rumsonderne Pioneer 10, Pioneer 11 og Ulysses flyver langsommere og langsommere ud af vores solsystem end de burde, ifølge Einsteins generelle relativitetsteori. Det er ikke meget de flyver langsommere, men nok til at man ved at der er noget galt et eller andet sted. ^[3] ^[4] ^[5] ^[6]

Der er pt. (2006) følgende formodede løsningsmodeller:

Einsteins generelle relativitetsteori skal modificeres så den passer med det pt. observerede, hvilket betyder at gravitation/rumtidskrumningen aftager mere end den nu gør ifølge relativitetsteorien.^[7]
Man påstår, at der udover den radiosynlige ca. 1/25 stof, findes yderligere ca. 24/25 i form af mørkt stof og/eller mørk energi. De ca. 24/25 mere masse "tilføjes", så galaksernes stjerner ikke flyver væk, ifølge dagens modeller.^[8]
Der findes betydeligt mere stof end der indtil videre er fundet. F.eks. i form af massive-atomkugler på ca. 20 cm i diameter og vejende ca. 100 mia. kg.^[9]

[redigér] Kilder/referencer

↑ Sept. 13, Sciencedaily: Einstein was at least 99.95 percent right Citat: "...the double pulsar system should lose energy, causing the two neutron stars to spiral in towards each other by precisely the amount that we have observed -- thus our observations give an indirect proof of the existence of gravitational waves (as predicted by Einstein)..."
↑ en:Galaxy_rotation_problem
↑ Ing.dk, 16.05.2001, Tyngdelov skal måske revideres
↑ BBCNews, 15 May, 2001, Mystery force tugs distant probes Citat: "...The unexplained force appears to be acting on four deep-space probes scattered around the Solar System....The puzzle is that Pioneer 10 is slowing more quickly than it should...."
↑ Physics World, January 1999, Physics in Action: Spacecraft anomalies put gravity to the test
↑ October 10, 2005, Scientific American: A Force to Reckon With. What applied the brakes on Pioneer 10 and 11?
↑ February 15, 2006, Sciencedaily: Einstein's Theory 'Improved'? Citat: "...Their formula suggests that gravity drops less sharply with distance as in Einstein, and changes subtly from solar systems to galaxies and to the universe..."
↑ 5 February 2006, BBC News: Dark matter comes out of the cold Citat: "..."It now looks as though the Milky Way is the biggest galaxy in the local Universe, bigger even than Andromeda. It was thought until just a few months ago that it was the other way around."..."
↑ 15. december, 2005, dr.dk: Dansk fysiker forudsiger eksploderende kugler af mørkt stof Citat: "...Holger Bech Nielsen og Collin Froggatts idé kræver ikke nye typer stof eller måder, det kan vekselvirke på...De foreslår i stedet, at mørkt stof består af en samling atomer i en kugleform på 20 cm. Kuglerne, som hver kan veje helt op til 100 mia. kg (!) vil være svære at observere, men de kan eksistere inde i store, massive stjerner..."