Gravitationsfelt — definition og forklaring fra Newton til Einstein

Gravitationsfelt: Fra Newtons kræfter til Einsteins rumtidskrumning — forstå teorier, begreber og gravitationsbølger kort og tydeligt.

Inden for fysik er et gravitationsfelt en model, der bruges til at forklare den indflydelse, som et massivt legeme har. Indflydelsen strækker sig ud i rummet omkring sig selv og skaber en kraft på et andet massivt legeme. Et gravitationsfelt bruges således til at forklare gravitationsfænomener (virkninger). Det måles i newton pr. kilogram (N/kg).

I det oprindelige newtonske koncept var tyngdekraften en kraft mellem punktmasser. Efter Newton forsøgte Laplace at modellere tyngdekraften som en slags strålingsfelt eller væske. Siden det 19. århundrede har forklaringer på tyngdekraften været baseret på en feltmodel snarere end på en punkttiltrækning. Denne revolution blev gennemført med Einsteins generelle relativitetsteori. De fleste videnskabsmænd mener, at gravitationsfeltet og dets gravitationsbølger er de fysiske fortolkninger af Einsteins generelle relativitetsligninger.

I en feltmodel er det ikke to partikler, der tiltrækkes af hinanden, men derimod objekternes masse, der forvrænger rumtiden. Denne forvrængning er det, der opfattes og måles som en "kraft". I en sådan model bevæger materien sig på bestemte måder som reaktion på rumtidens krumning. Man kan sige, at der enten ikke findes nogen gravitationskraft, eller at tyngdekraften er en fiktiv kraft.

Newtonsk feltmodel — praktisk og enkel beskrivelse

I den klassiske, newtonske beskrivelse betragtes et gravitationsfelt ofte som et vektorfelt g(r) kaldet tyngdeaccelerationen. For et legeme med masse m, der udsættes for en gravitationskraft F, gælder g = F/m, og g måles i N/kg eller m/s². For en punktmasse M i afstand r fra punktet er feltet i radial retning g(r) = GM/r², hvor G er gravitationskonstanten. Feltet er konservativt og kan udledes fra en skalar potentialfunktion Φ med g = -∇Φ, og potentialet for en punktmasse er Φ(r) = -GM/r.

Ondske i nye retningslinjer for matematik: Poissons ligning forbinder potentialet med massetætheden ρ i rummet: ∇²Φ = 4πGρ. Den newtonske feltmodel har superpositionsprincip — feltet fra flere masser er summen af felterne fra hver masse — og den forklarer de fleste dagligdags og astronomiske fænomener i svage felter og ved lave hastigheder.

Einsteins generelle relativitet — rumtidens krumning

Einstein erstattede i begyndelsen af det 20. århundrede den newtonske kraftforestilling med en geometri-baseret model: materie og energi bestemmer rumtidens krumning, og krumningen bestemmer, hvordan legemer bevæger sig. I denne ramme bevæger frie partikler sig langs geodæter (de "lige linjer" i en krum rumtid), og det, vi kalder tyngdekraft, er derfor et udtryk for geodætisk bevægelse i en krum rumtid, ikke en traditionel kraft.

Einsteins feltligninger forbinder rumtidens krumning (beskrevet ved den metriske tensor og dens afledede krumningsmål) med indholdet af masse og energi (stress-energitensoren). Løsninger af disse ligninger for forskellige massedistributioner beskriver fx sorte huller, stjerner og den omgivende rumtid. I svage felter og ved lave hastigheder reducerer Einsteins teori til Newtons tyngdelov, så newtonske beregninger forbliver gode til de fleste formål.

Observationer og eksperimentel støtte

• Historiske bekræftelser: avvigelsen i Merkurs perihelbevægelse, lysbøjning ved Solens rand målt i 1919 og gravitationel rødforskydning.
• Moderne målinger: præcisionstest med tidsmålinger (gravitations tidsdilation, relevant for GPS), obs. af gravitationsbølger fra sammenstød mellem sorte huller og neutronstjerner (detektionsprojekter som LIGO/Virgo).
• Laboratoriemålinger: Cavendish-eksperimenter og moderne torsionsbalance-målinger bestemmer G og tester svage afvigelser fra inverse kvadratloven.

Praktisk betydning og begrænsninger

Gravitationsfeltbegrebet er centralt i astronomi, kosmologi og tekniske anvendelser som satellitbaneberegninger. I meget stærke felter og på kosmologiske skalaer er den generelle relativitet uundværlig. Der er dog stadig åbne spørgsmål i fysikken: hvordan gravitation forenes med kvantemekanik på mikroskopiske skalaer (kvantegravitation), og hvordan beskrives energien i gravitationsfeltet entydigt i generel relativitet (energi kan ofte kun beskrives ved hjælp af pseudotensorer eller globale størrelser i særlige rumtidsløsninger).

Sammenfattende kan man sige, at et gravitationsfelt i praktisk forstand er en model, der beskriver, hvordan masser påvirker omgivelserne — i Newtons billede som et vektorfelt og potential, og i Einsteins billede som krumningen af rumtiden, hvor gravitationelle effekter fremstår som geodætisk bevægelse snarere end en klassisk kraft.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er et gravitationsfelt?

Sp: Hvem foreslog først ideen om tyngdekraften som en punkttiltrækning?

Spørgsmål: Hvordan revolutionerede Einsteins generelle relativitetsteori vores forståelse af tyngdekraften?

Spørgsmål: Findes der noget som en gravitationskraft?

Spørgsmål: Hvad er gravitationsbølger?

Spørgsmål: Hvad forsøgte Laplace at modellere tyngdekraften som?

Spørgsmål: Hvordan bevæger materien sig ifølge denne model?

Søg efter bogstav