Tyngdekraft | en af universets fundamentale kræfter

Hverdagens tyngdekraft

Vægt vs. masse

I daglig tale siger vi, at ting falder, fordi jordens tyngdekraft trækker på dem. Vi taler som om, at vores vægt er en "given" ting. I virkeligheden ændrer vægten sig, når tyngdekraften ændrer sig. Månen er meget mindre, og tyngdekraften på Månen er ca. 1/6 af Jordens tyngdekraft. Så ethvert objekt på Månen vejer 1/6 af sin vægt på Jorden. Det, der ikke ændrer sig, er mængden af stof i en genstand. Det kaldes bevarelse af masse. På Jorden er masse og vægt det samme til de fleste formål, selv om et følsomt gravimeter kan registrere forskellen. Forskellen kan være meget anderledes på en anden verden, f.eks. månen.

Heraf lærer vi to ting.

1. Vægten af en genstand er variabel, mens dens masse er konstant.
2. Tyngdekraften varierer i forhold til et objekts masse. Jorden trækker stærkere end månen. Et menneske udøver også en tyngdekraft, men den er så lille, at den kan ignoreres til alle praktiske formål.

Jorden har en masse. Alle partikler af stof har masse. Så Jorden trækker på alle genstande og personer, og de trækker på Jorden. Denne trækkende kraft kaldes "tyngdekraft" og giver vægt.

Tyngdekraft vs. gravitation

Disse ord betyder næsten det samme i daglig tale. Nogle gange bruger forskere "tyngdekraft" for den kraft, der trækker genstande mod hinanden, og "gravitation" for teorien om tiltrækningen.

 

Gravitationsteori

Galileo

Ifølge en af hans elever foretog Galileo et berømt eksperiment om tyngdekraften, hvor han lod bolde falde ned fra Pisa-tårnet. Senere rullede han bolde ned ad skråninger. Med disse eksperimenter viste Galilei, at tyngdekraften accelererer alle genstande med samme hastighed uanset vægt.

Kepler

Johannes Kepler studerede planeternes bevægelse. I 1609 og 1616 offentliggjorde han sine tre love om planeternes baner og deres hastighed langs disse baner, men han fandt ikke ud af, hvorfor de bevægede sig på denne måde.

Newton

I 1687 skrev den engelske matematiker Isaac Newton Principia. I denne bog skrev han om den omvendt kvadratiske lov om gravitation. Newton, der fulgte en idé, som længe havde været diskuteret af andre, sagde, at jo tættere to genstande er på hinanden, jo mere vil tyngdekraften påvirke dem.

Ifølge Newtons lov om universel gravitation er tyngdekraften en kraft mellem to objekter med masse. Tre tal påvirker dens styrke: de to objekters masse og afstanden mellem dem. Disse to objekter vil begge trække på hinanden med samme kraft. En kraft har dog en større virkning på objekter med mindre masse. Kraften mellem Solen og Jorden får Jorden til at kredse om Solen, men den flytter kun Solen en lille smule.

Newtons love blev senere brugt til at forudsige eksistensen af planeten Neptun på baggrund af ændringer i Uranus' bane, og igen til at forudsige eksistensen af en anden planet tættere på solen end Merkur. Da dette var gjort, fandt man ud af, at hans teori ikke var helt korrekt. Disse fejl i hans teori blev korrigeret af Albert Einsteins teori om den generelle relativitetsteori. Newtons teori bruges stadig almindeligvis til mange ting, fordi den er enklere og præcis nok til mange formål.

Dynamisk ligevægt

Hvorfor falder jorden ikke ind i solen? Svaret er enkelt, men meget vigtigt. Det skyldes, at Jorden bevæger sig rundt om Solen og befinder sig i dynamisk ligevægt. Jordens bevægelseshastighed skaber en centrifugalkraft, som afbalancerer tyngdekraften mellem Solen og Jorden. Hvorfor fortsætter Jorden med at dreje rundt? Fordi der ikke er nogen kraft, der kan stoppe den.

Newtons første lov: "Hvis et legeme er i hvile, forbliver det i hvile, eller hvis det er i bevægelse, bevæger det sig med samme hastighed, indtil det påvirkes af en ydre kraft.

Der er en slags analogi mellem centrifugalkraft og gravitationskraft, hvilket førte til "ækvivalensprincippet" i den generelle relativitetsteori.

Vægtløshed

I frit fald udligner en genstand bevægelse tyngdekraftens tiltrækningskraft på den. Dette gælder også i kredsløb.

 
Newtons lov om universel gravitation.  

Generel relativitetsteori

Den specielle relativitetsteori beskriver systemer, hvor tyngdekraften ikke er et problem; i modsætning hertil er tyngdekraften det centrale problem i den generelle relativitetsteori.

I den generelle relativitetsteori er der ingen gravitationskraft, der afbøjer objekter fra deres naturlige, lige baner. I stedet ses tyngdekraften som ændringer i rummets og tidens egenskaber. Dette ændrer til gengæld de mest lige baner, som objekter naturligt vil følge. Krumningen skyldes igen materiens energimomentum. Rumtiden fortæller materien, hvordan den skal bevæge sig, og materien fortæller rumtiden, hvordan den skal krumme sig.

For svage gravitationsfelter og langsomme hastigheder i forhold til lysets hastighed konvergerer teoriens forudsigelser med Newton's lov om universel gravitation. Newtons ligninger bruges til at planlægge rejser i vores solsystem.

Den generelle relativitetsteori har en række fysiske konsekvenser.

Tidsudvidelse og frekvensforskydning

Tyngdekraften har indflydelse på tidens gang. Lys, der sendes ned i en tyngdekraftsbrønd, bliver blåforskudt, mens lys, der sendes i den modsatte retning (dvs. stiger ud af tyngdekraftsbrønden), bliver rødforskudt; tilsammen er disse to virkninger kendt som gravitationsfrekvensforskydningen.

Mere generelt går processer tæt på et massivt legeme langsommere i forhold til processer, der foregår længere væk; denne effekt kaldes gravitationel tidsudvidelse.

Lysafbøjning og gravitationel tidsforsinkelse

Den generelle relativitetsteori forudsiger, at lysets bane bøjes i et gravitationsfelt; lys, der passerer et massivt legeme, bliver afbøjet mod dette legeme. Denne effekt er blevet bekræftet ved at observere, at lyset fra stjerner eller fjerne kvasarer bliver afbøjet, når det passerer solen.

Tæt forbundet med lysafbøjning er gravitationstidsforsinkelsen (eller Shapiro-forsinkelsen), som er det fænomen, at lyssignaler er længere tid om at bevæge sig gennem et gravitationsfelt, end de ville være i fravær af dette felt. Der har været adskillige vellykkede forsøg med denne forudsigelse.

En parameter kaldet γ beskriver tyngdekraftens indflydelse på rummets geometri.

Gravitationsbølger

Gravitationsbølger er krusninger i rumtidens krumning. De bevæger sig som en bølge, der bevæger sig udad fra kilden. Einstein forudsagde dem i 1915 på grundlag af sin generelle relativitetsteori. I teorien transporterer gravitationsbølger energi som gravitationsstråling. Kilder til detekterbare gravitationsbølger kan omfatte binære stjernesystemer bestående af hvide dværge, neutronstjerner eller sorte huller. Ifølge den generelle relativitetsteori kan gravitationsbølger ikke bevæge sig hurtigere end lysets hastighed.

Nobelprisen i fysik i 1993 blev tildelt for målinger af Hulse-Taylor-dobbeltstjernesystemet. Disse målinger tydede på, at gravitationsbølger er mere end matematiske særpræg.

Den 11. februar 2016 meddelte LIGO Scientific Collaboration og Virgo Collaboration, at de havde gjort den første observation af gravitationsbølger, der stammer fra et par sorte huller, der fusionerer, ved hjælp af de avancerede LIGO-detektorer. Den 15. juni 2016 blev der annonceret en anden påvisning af gravitationsbølger fra sammenflydende sorte huller. Ud over LIGO er mange andre gravitationsbølgeobservatorier (detektorer) under opførelse.

 
Skematisk fremstilling af den gravitationelle rødforskydning af en lysbølge, der slipper ud fra overfladen af et massivt legeme  


Afbøjning af lys (sendt fra det sted, der er vist i blåt) i nærheden af et kompakt legeme (vist i gråt)  

Relaterede sider

• Flugthastighed
• Generel relativitetsteori
• Newtons love om bevægelse