Gravitation: kraften som formar rymden och rörelse

Vikt vs massa

I vardagligt tal säger vi att saker faller för att jordens gravitation drar på dem. Vi talar som om vår vikt är en "given" sak. I själva verket förändras vikten när gravitationens dragningskraft förändras. Månen är mycket mindre och gravitationens dragningskraft på månen är ungefär en sjättedel av jordens. Ett föremål på månen väger alltså 1/6 av sin vikt på jorden. Det som inte förändras är mängden materia i ett föremål. Detta kallas för massans bevarande. På jorden är massa och vikt samma för de flesta ändamål, även om en känslig gravimeter kan upptäcka skillnaden. Skillnaden kan vara mycket annorlunda på en annan värld, t.ex. på månen.

Av detta kan vi lära oss två saker.

1. Ett föremåls vikt är variabel, men dess massa är konstant.
2. Gravitationens dragningskraft varierar beroende på föremålets massa. Jorden drar starkare än månen. Även en person utövar en dragningskraft, men den är så liten att den kan ignoreras för alla praktiska ändamål.

Jorden har massa. Varje materiepartikel har massa. Jorden drar alltså på alla föremål och personer, och de drar på jorden. Denna dragkraft kallas "gravitation" och ger vikt.

Gravitation vs gravitation

Dessa ord betyder nästan samma sak i dagligt bruk. Ibland använder forskare "gravitation" för den kraft som drar föremål till varandra och "gravitation" för teorin om dragningskraften.

Galileo

Enligt en av sina elever gjorde Galileo ett berömt experiment om gravitation där han släppte bollar från Pisatornet. Senare rullade han bollar nedför sluttningar. Med dessa experiment visade Galileo att gravitationen accelererar alla föremål i samma takt oavsett vikt.

Kepler

Johannes Kepler studerade planeternas rörelse. År 1609 och 1616 publicerade han sina tre lagar som reglerar planeternas banor och deras hastighet längs dessa banor, men han upptäckte inte varför de rörde sig på detta sätt.

Newton

År 1687 skrev den engelske matematikern Isaac Newton Principia. I denna bok skrev han om gravitationens omvänt fyrkantiga lag. Newton, som följde en idé som länge hade diskuterats av andra, sade att ju närmare två föremål befinner sig varandra, desto mer kommer gravitationen att påverka dem.

Enligt Newtons lag om universell gravitation är gravitationen en kraft mellan två föremål med massa. Tre siffror påverkar dess styrka: massan hos varje objekt och avståndet mellan dem. Dessa två föremål kommer båda att dra på varandra med samma kraft. En kraft har dock större effekt på föremål med mindre massa. Kraften mellan solen och jorden får jorden att kretsa runt solen, men den förflyttar bara solen en liten bit.

Newtons lagar användes senare för att förutsäga existensen av planeten Neptunus utifrån förändringar i Uranus bana, och återigen för att förutsäga existensen av en annan planet närmare solen än Merkurius. När detta var gjort fick man veta att hans teori inte var helt korrekt. Dessa misstag i hans teori korrigerades av Albert Einsteins teori om allmän relativitetsteori. Newtons teori används fortfarande ofta för många saker eftersom den är enklare och tillräckligt exakt för många användningsområden.

Dynamisk jämvikt

Varför faller jorden inte in i solen? Svaret är enkelt men mycket viktigt. Det beror på att jorden rör sig runt solen och befinner sig i dynamisk jämvikt. Jordens rörelsehastighet skapar en centrifugalkraft som balanserar gravitationskraften mellan solen och jorden. Varför fortsätter jorden att snurra? Därför att det inte finns någon kraft som kan stoppa den.

Newtons första lag: "Om en kropp är i vila förblir den i vila, eller om den är i rörelse rör den sig med samma hastighet tills den påverkas av en yttre kraft.

Det finns en slags analogi mellan centrifugalkraft och gravitationskraft, vilket ledde till den allmänna relativitetsprincipens "ekvivalensprincip".

Tyngdlöshet

I fritt fall balanserar ett föremåls rörelse gravitationens dragningskraft. Detta gäller även om man befinner sig i en omloppsbana.

Den speciella relativitetsteorin beskriver system där gravitationen inte är ett problem. Däremot är gravitationen det centrala problemet i den allmänna relativitetsteorin.

I den allmänna relativitetsteorin finns det ingen gravitationskraft som avleder objekt från deras naturliga, raka banor. I stället ses gravitationen som förändringar i rummets och tidens egenskaper. Detta förändrar i sin tur de rakaste möjliga banorna som föremålen naturligt kommer att följa. Krökningen orsakas i sin tur av materiens energimomentum. Rymdtiden talar om för materien hur den ska röra sig; materien talar om för rymdtiden hur den ska kröka.

För svaga gravitationsfält och långsamma hastigheter i förhållande till ljusets hastighet konvergerar teorins förutsägelser mot förutsägelserna i Newtons lag om universell gravitation. Newtons ekvationer används för att planera resor i vårt solsystem.

Den allmänna relativitetsteorin har ett antal fysiska konsekvenser.

Tidsutvidgning och frekvensförskjutning

Gravitationen påverkar tidens gång. Ljus som skickas ner i en gravitationsbrunn blåförskjuts, medan ljus som skickas i motsatt riktning (dvs. stiger ut ur gravitationsbrunnen) rödförskjuts.

Generellt sett går processer nära en massiv kropp långsammare jämfört med processer som äger rum längre bort; denna effekt kallas gravitationell tidsutvidgning.

Ljusets avböjning och gravitationens tidsfördröjning

Den allmänna relativitetsteorin förutsäger att ljusets bana böjs i ett gravitationsfält; ljus som passerar en massiv kropp avleds mot den kroppen. Denna effekt har bekräftats genom att observera att ljuset från stjärnor eller avlägsna kvasarer böjs av när det passerar solen.

Nära besläktad med ljusavledning är den gravitationella tidsfördröjningen (eller Shapiros fördröjning), fenomenet att det tar längre tid för ljussignaler att röra sig genom ett gravitationsfält än vad de skulle göra i frånvaro av detta fält. Det har gjorts många framgångsrika tester av denna förutsägelse.

En parameter som kallas γ anger gravitationens inverkan på rymdens geometri.

Gravitationsvågor

Gravitationsvågor är krusningar i rymdtidens krökning. De rör sig som en våg, som reser sig utåt från källan. Einstein förutspådde dem 1915 på grundval av sin allmänna relativitetsteori. I teorin transporterar gravitationsvågor energi som gravitationsstrålning. Källor till detekterbara gravitationsvågor kan vara binära stjärnsystem bestående av vita dvärgar, neutronstjärnor eller svarta hål. Enligt den allmänna relativitetsteorin kan gravitationsvågor inte färdas snabbare än ljusets hastighet.

Nobelpriset i fysik 1993 tilldelades för mätningar av Hulse-Taylors binära stjärnsystem. Dessa mätningar visade att gravitationsvågor är mer än matematiska särdrag.

Den 11 februari 2016 meddelade LIGO Scientific Collaboration och Virgo Collaboration att de hade gjort den första observationen av gravitationsvågor från ett par svarta hål som smälter samman med hjälp av de avancerade LIGO-detektorerna. Den 15 juni 2016 tillkännagavs en andra upptäckt av gravitationsvågor från sammanväxande svarta hål. Förutom LIGO är många andra observatorier (detektorer) för gravitationsvågor under uppbyggnad.

• Flyghastighet
• Allmän relativitetsteori
• Newtons rörelselagar