Was ist Schwerkraft?

Die Schwerkraft ist neben dem Elektromagnetismus und den starken und schwachen Kernkräften eine der vier fundamentalen Kräfte im Universum. Obwohl die Schwerkraft allgegenwärtig und wichtig ist, um zu verhindern, dass unsere Füße von der Erde fliegen, bleibt sie für Wissenschaftler größtenteils ein Rätsel.

Alte Gelehrte, die versuchten, die Welt zu beschreiben, hatten ihre eigenen Erklärungen dafür, warum Dinge auf den Boden fallen., Der griechische Philosoph Aristoteles behauptete, dass Objekte eine natürliche Tendenz haben, sich in Richtung des Zentrums des Universums zu bewegen, von dem er glaubte, dass es die Mitte der Erde ist, so der Physiker Richard Fitzpatrick von der University of Texas.

Aber spätere Koryphäen lösten unseren Planeten von seiner primären Position im Kosmos. Der polnische Polymath Nicolas Copernicus erkannte, dass die Wege der Planeten am Himmel viel sinnvoller sind, wenn die Sonne das Zentrum des Sonnensystems ist., Der britische Mathematiker und Physiker Isaac Newton erweiterte Kopernikus ‚ Erkenntnisse und argumentierte, dass, wie die Sonne schleppt auf den Planeten, alle Objekte üben eine Anziehungskraft auf einander.

In seiner berühmten Abhandlung „Philosophiae naturalis principia mathematica“ von 1687 beschrieb Newton das, was heute sein Gesetz der universellen Gravitation genannt wird. Es wird normalerweise geschrieben als:

Fg = G (m1 ∙ m2) / r2

Wobei F die Schwerkraft ist, m1 und m2 die Massen zweier Objekte sind und r der Abstand zwischen ihnen ist., G, die Gravitationskonstante, ist eine fundamentale Konstante, deren Wert durch Experiment entdeckt werden muss.

Die Schwerkraft ist mächtig, aber nicht so mächtig

Die Schwerkraft ist die schwächste der Grundkräfte., Ein Stabmagnet zieht eine Büroklammer elektromagnetisch nach oben und überwindet die Gravitationskraft der gesamten Erde auf dem Bürogerät. Physiker haben berechnet, dass die Schwerkraft 10^40 (das ist die Zahl 1, gefolgt von 40 Nullen) mal schwächer ist als der Elektromagnetismus, nach PBS Nova.

Während die Auswirkungen der Schwerkraft auf der Skala von Dingen wie Planeten, Sternen und Galaxien deutlich zu sehen sind, ist die Schwerkraft zwischen Alltagsgegenständen extrem schwer zu messen., 1798 führte der britische Physiker Henry Cavendish eines der weltweit ersten hochpräzisen Experimente durch, um den Wert von G, der Gravitationskonstante, genau zu bestimmen, wie in den Proceedings der Front Matter der National Academy of Science berichtet.

Cavendish baute eine sogenannte Torsionsbalance und befestigte zwei kleine Bleikugeln an den Enden eines Balkens, der horizontal von einem dünnen Draht aufgehängt war. In der Nähe jeder der kleinen Kugeln platzierte er ein großes, kugelförmiges Bleigewicht., Die kleinen Bleikugeln wurden gravitativ von den schweren Bleigewichten angezogen, wodurch sich der Draht nur ein winziges Stück drehte und er G berechnen konnte

Bemerkenswert war Cavendishs Schätzung für G nur 1% von seinem heutigen akzeptierten Wert von 6.674 × 10^-11 m^3/kg^1 * s^2. Die meisten anderen universellen Konstanten sind weitaus genauer bekannt, aber weil die Schwerkraft so schwach ist, müssen Wissenschaftler unglaublich empfindliche Geräte entwerfen, um ihre Auswirkungen zu messen. Bisher ist ein genauerer Wert von G ihrer Instrumentierung entgangen.,

Der deutsch-amerikanische Physiker Albert Einstein hat die nächste Revolution in unserem Gravitationsverständnis herbeigeführt. Seine allgemeine Relativitätstheorie zeigte, dass die Schwerkraft aus der Krümmung der Raumzeit entsteht, was bedeutet, dass selbst Lichtstrahlen, die dieser Krümmung folgen müssen, von extrem massiven Objekten gebogen werden.

Einsteins Theorien wurden verwendet, um über die Existenz Schwarzer Löcher zu spekulieren — himmlische Wesen mit so viel Masse, dass nicht einmal Licht von ihren Oberflächen entweichen kann., In der Nähe eines Schwarzen Lochs beschreibt das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation nicht mehr genau, wie sich Objekte bewegen, sondern Einsteins Tensor-Feldgleichungen haben Vorrang.

Astronomen haben seitdem echte Schwarze Löcher im Weltraum entdeckt und es sogar geschafft, ein detailliertes Foto des kolossalen zu machen, der im Zentrum unserer Galaxie lebt. Andere Teleskope haben die Auswirkungen Schwarzer Löcher im ganzen Universum gesehen.,

Die Anwendung des Newtonschen Gravitationsgesetzes auf extrem leichte Objekte wie Menschen, Zellen und Atome bleibt laut Minutenphysik eine wenig erforschte Grenze. Die Forscher gehen davon aus, dass sich solche Entitäten nach den gleichen Gravitationsregeln wie Planeten und Sterne gegenseitig anziehen, aber weil die Schwerkraft so schwach ist, ist es schwierig, sie genau zu kennen.

Vielleicht ziehen sich Atome gravitativ mit einer Rate von eins über ihre Entfernung an, anstatt quadratisch-unsere derzeitigen Instrumente können es nicht sagen., Neuartige verborgene Aspekte der Realität könnten zugänglich sein, wenn wir nur so winzige Gravitationskräfte messen könnten.

Eine ewige Kraft des Geheimnisses

Die Schwerkraft verwirrt auch Wissenschaftler auf andere Weise. Das Standardmodell der Teilchenphysik, das die Aktionen fast aller bekannten Teilchen und Kräfte beschreibt, lässt die Schwerkraft aus. Während Licht von einem Teilchen getragen wird, das als Photon bezeichnet wird, haben Physiker keine Ahnung, ob es ein äquivalentes Teilchen für die Schwerkraft gibt, das als Graviton bezeichnet wird.,

Die Schwerkraft in einem theoretischen Rahmen mit der Quantenmechanik zusammenzubringen, die andere wichtige Entdeckung der Physikgemeinschaft des 20. Eine solche Theorie von allem, wie es bekannt ist, könnte nie realisiert werden.

Aber die Schwerkraft wurde immer noch verwendet, um monumentale Funde aufzudecken. In den 1960er und 70er Jahren zeigten die Astronomen Vera Rubin und Kent Ford, dass Sterne an den Rändern von Galaxien schneller umkreisen, als es möglich sein sollte. Es war fast so, als würde eine unsichtbare Masse gravitativ an ihnen ziehen und ein Material ans Licht bringen, das wir jetzt dunkle Materie nennen.,

In den letzten Jahren ist es Wissenschaftlern auch gelungen, eine weitere Folge von Einsteins Relativität zu erfassen — Gravitationswellen, die emittiert werden, wenn sich massive Objekte wie Neutronensterne und Schwarze Löcher umeinander drehen. Seit 2017 hat das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ein neues Fenster zum Universum geöffnet, indem es das äußerst schwache Signal solcher Ereignisse erfasst.