Tyngdekraften

Gravitation er en langtrækkende interaktion mellem legemer, der har masse eller mere generelt energi. Der findes adskillige , der forsøger at beskrive gravitation kvantitativt, men de tre mest anvendte og anerkendte er Galileis faldlov, der gælder for korte afstande såsom tæt på jordoverfladen, den klassisk mekaniske tyngdekraft, hvor gravitation beskrives som en tiltrækningskraft mellem legemer med masse, og den generelle relativitetsteori, hvor gravitation er en krumning af rumtiden, der også har indflydelse på masseløse legemer.

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.

Gravitation i klassisk mekanik

Uddybende artikel: Newtonsk gravitation

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.

Newtons universelle gravitationslov

Uddybende artikel: Newtons tyngdelov

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.":

${\displaystyle F={\frac {G\cdot m_{1}\cdot m_{2}}{r^{2}}}}$

hvor:

• F er gravitationskraften mellem objekterne.
• m₁ er det ene objekts masse.
• m₂ er det andet objekts masse.
• r er afstanden mellem objekternes massecentre.
• G er Den universelle gravitationskonstant. Med 6 betydende cifre er den G = 6,67428·10^-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.

Potentiel energi i tyngdefeltet

To legemer med masserne m₁ og m₂ 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 er givet ved:

${\displaystyle E_{pot}=-{\frac {G\cdot m_{1}\cdot m_{2}}{r}}}$

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.

Gravitation i den generelle relativitetsteori

Uddybende artikel: Generel relativitetsteori

Einsteins relativitetsteori forudsiger, at gravitationens udbredelseshastighed skal være mindre end lysets hastighed i vakuum. Gravitationel interaktion kan altså ikke være øjeblikkelig.

Illustration af en større masses rumtidskrumning, der ikke roterer.

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 kredser om deres fælles tyngdepunkt tæt om hinanden og som udsender gravitationsbølger ifølge Einsteins relativitetsteori og som konsekvens falder mod hinanden. Gravitationsbølger blev påvist 14. september 2015, og opdagelsen offentliggjort 11. februar 2016. 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.

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

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. ^{[upålidelig kilde]}

Et andet problem man har er pioneer anomalien, rumsonderne Pioneer 10, Pioneer 11 og Ulysses flyver 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. I 2012 kom man dog frem til en fuldstændig forklaring for, hvorfor disse rumsonder blev påvirket af en acceleration. Accelerationen skyldes termisk stråling fra rumsondernes systemer. Når der tages højde for accelerationen, denne stråling ville forårsage, er der ingen unormal acceleration på rumsonderne.^{[kilde mangler]}

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.
• 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.
• 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. tons.

En Einstein-ring fotograferet af Hubble-teleskopet.

Skitse der illustrerer gravitationslinseeffekten.

Einstein-ring

Uddybende artikel: Gravitationslinseeffekten

Gravitationslinseeffekten betegner afbøjningen af elektromagnetisk stråling (f.eks. lys og radiobølger) i et stærkt gravitationsfelter eller rettere i rumtidskrumningen og kan ses ved fjerne galakser, hvor lyset fra en endnu fjernere galakse kan ses i flere retninger, nogle gange som en såkaldt Einstern-ring, en ring om gravitationslinsen, dvs. den nærmeste galakse (se billederne). Astronomer har observeret i hundredvis af Einstein-ringe.

Kilder/referencer

1. GRACE Gravity Model of Earth
2. June 19, 2003, sciencedaily.com: Berkeley Lab Physicist Challenges Speed Of Gravity Claim Citat: "...According to Einstein's General Theory of Relativity, light and gravity travel at the same speed, about 186,000 miles (300,000 kilometers) per second. Most scientists believe this is true but the assumption was that it could only be proven through the detection of gravity waves..."
3. Ask the Astronomer: If nothing can travel faster than light, why does gravity take affect instantly? Citat: "...There is no observation that justifies this 'Newtonian' statement, and lots of evidence from special and general relativity that gravity obeys the speed limit set by the speed of light..."
4. Ask the Astronomer: Are we gravitationally affected by where an object is now, or where it was when the light we see started its journey to us? Citat: "...Because all indications are that gravity travels at the speed of light, we can only be affected by where a body is at the SAME time we see the light from it..."
5. 14th September 2006, manchester.ac.uk: General Relativity survives gruelling pulsar test – Einstein at least 99.95% 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]..."
6. en:Galaxy_rotation_problem
7. Ing.dk, 16.05.2001, Tyngdelov skal måske revideres
8. 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...."
9. Webarchive backup: Physics World, January 1999, Physics in Action: Spacecraft anomalies put gravity to the test
10. October 10, 2005, Scientific American: A Force to Reckon With. What applied the brakes on Pioneer 10 and 11?
11. 5. mar 2008, Ing.dk: Mystisk kraft får rumsonder til at ændre hastighed Citat: "...John Anderson konstaterer, at forskerne ikke har styr på den mystiske kraft, som får rumsonderne til at ændre hastighed. Han anser det for sandsynligt, at anomalierne ved de fem nye rumsonder og Pioneer-anomalien hænger sammen...", 3 March 2008, Phys. Rev. Lett. 100: Anomalous Orbital-Energy Changes Observed during Spacecraft Flybys of Earth
12. 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..."
13. 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."..."
14. 2. okt 2005, Ing.dk: Holger Bech Nielsen: Mørkt stof er almindeligt stof Citat: "...Sådanne kugler, som kan have en masse på 100 millioner ton..."
15. En ny Einstein-ring er opdaget. Astronomi.dk

Se også

• Præcession
• Graviton
• Gravitationslinseeffekt
• Første observation af gravitationsbølger
• Shoemaker-Levy 9
• Tidevand
• Tyngdeacceleration

Eksterne henvisninger

Wikimedia Commons har medier relateret til: Gravitation

• Webarchive backup: NatNet: Hvordan virker naturkræfterne?
• dr.dk: Tyngdebølger, Tyngdebølger – Den store uløste gåde
• Tyngdelovs-anomalier (Pioneer). Nye kosmologiske principper (Webside ikke længere tilgængelig)