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Hammer und Federtropfen: Der Astronaut David Scott (aus Mission Apollo 15 ) auf dem Mond spielt die Legende von Galileos Schwerkraftversuch

Gravity (von lateinisch gravitas  ‚Gewicht‘ [1] ), oder Gravitation , ist ein natürliches Phänomen , von dem alle Dinge mit Masse oder Energie -einschließlich Planeten , Sterne , Galaxien und sogar Licht [2] -sind gebracht zu (oder gravitieren in Richtung ) einander. Auf der Erde gibt Schwergewicht auf physische Objekte und der Mond ‚s Schwerkraft bewirkt , dass die Meeresfluten. Die Anziehungskraft der ursprünglichen gasförmigen Materie, die im Universum vorhanden ist, führte dazu, dass sie anfing, sich zu vereinigen und Sterne zu bilden, und dass sich die Sterne zu Galaxien zusammenschlossen, sodass die Schwerkraft für viele der großräumigen Strukturen im Universum verantwortlich ist. Die Schwerkraft hat eine unendliche Reichweite, obwohl ihre Auswirkungen schwächer werden, wenn Objekte weiter entfernt werden.

Die Schwerkraft wird am genauesten durch die allgemeine Relativitätstheorie (vorgeschlagen von Albert Einstein im Jahr 1915) beschrieben, die die Schwerkraft nicht als Kraft beschreibt, sondern als Folge von Massen, die sich entlang geodätischer Linien in einer gekrümmten Raumzeit bewegen, die durch die ungleichmäßige Verteilung der Masse verursacht wird. Das extremste Beispiel für diese Krümmung der Raumzeit ist ein Schwarzes Loch , aus dem nichts - nicht einmal Licht - hinter dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs entweichen kann . [3] Für die meisten Anwendungen wird die Schwerkraft jedoch durch das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation , das die Schwerkraft als Kraft beschreibt , gut angenähertBewirken, dass zwei beliebige Körper zueinander hingezogen werden, wobei die Größe proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist.

Die Schwerkraft ist die schwächste der vier fundamentalen Wechselwirkungen der Physik, ungefähr 10 38- mal schwächer als die starke Wechselwirkung , 10 36- mal schwächer als die elektromagnetische Kraft und 10 29- mal schwächer als die schwache Wechselwirkung . Infolgedessen hat es keinen signifikanten Einfluss auf die Ebene der subatomaren Partikel. [4] Im Gegensatz dazu ist es die dominierende Wechselwirkung auf makroskopischer Ebene und die Ursache für die Bildung, Form und Flugbahn ( Umlaufbahn ) astronomischer Körper .

Aktuelle Modelle der Teilchenphysik implizieren, dass sich die früheste Instanz der Schwerkraft im Universum, möglicherweise in Form von Quantengravitation , Supergravitation oder Gravitationssingularität , zusammen mit gewöhnlichem Raum und Zeit , während der Planck-Epoche (bis zu 10 - 43 Sekunden danach) entwickelte die Geburt des Universums), möglicherweise aus einem Urzustand wie einem falschen Vakuum , einem Quantenvakuum oder einem virtuellen Teilchen , auf derzeit unbekannte Weise. [5] Versuche, eine Gravitationstheorie zu entwickeln, die mit übereinstimmtDie Quantenmechanik , eine Quantengravitationstheorie , die es ermöglichen würde, die Gravitation in einem gemeinsamen mathematischen Rahmen (einer Theorie von allem ) mit den anderen drei grundlegenden Wechselwirkungen der Physik zu vereinen , ist ein aktuelles Forschungsgebiet.

Geschichte der Gravitationstheorie

Antike Welt

Der antike griechische Philosoph Archimedes entdeckte den Schwerpunkt eines Dreiecks. [6] Er postulierte auch, dass, wenn zwei gleiche Gewichte nicht den gleichen Schwerpunkt hätten, der Schwerpunkt der beiden Gewichte zusammen in der Mitte der Linie liegen würde, die ihre Schwerpunkte verbindet. [7]

Der römische Architekt und Ingenieur Vitruvius in De Architectura postulierte, dass die Schwerkraft eines Objekts nicht vom Gewicht, sondern von seiner "Natur" abhänge. [8]

Wissenschaftliche Revolution

Die moderne Arbeit zur Gravitationstheorie begann mit der Arbeit von Galileo Galilei im späten 16. und frühen 17. Jahrhundert. In seinem berühmten (aber möglicherweise apokryphen [9] ) Experiment Kugeln aus dem Fallenlassen Turm von Pisa , und später mit einem sorgfältigen Messungen von Kugeln rollen neigen , zeigte Galileo dass Erdbeschleunigung der für alle Objekte gleich ist. Dies war eine wesentliche Abweichung von Aristoteles 'Überzeugung, dass schwerere Objekte eine höhere Gravitationsbeschleunigung haben. [10] Galileo postulierte den Luftwiderstand als Grund für Objekte mit geringer Dichte und großer Oberflächefallen langsamer in eine Atmosphäre. Galileos Arbeit bildete die Grundlage für die Formulierung von Newtons Gravitationstheorie. [11]

Newtons Gravitationstheorie

Der englische Physiker und Mathematiker Sir Isaac Newton (1642–1727)

Im Jahr 1687, Mathematiker Englisch Sir Isaac Newton veröffentlicht Principia , die das hypothesizes Inversquadratgesetz der universellen Gravitation. In seinen eigenen Worten: "Ich folgerte, dass die Kräfte, die die Planeten in ihren Kugeln halten, wechselseitig sein müssen wie die Quadrate ihrer Abstände von den Zentren, um die sie sich drehen. Dabei verglich ich die Kraft, die erforderlich ist, um den Mond in ihrer Kugel zu halten." mit der Schwerkraft an der Erdoberfläche und fand sie fast zu beantworten. " [12] Die Gleichung lautet wie folgt:

Wobei F die Kraft ist, m 1 und m 2 die Massen der wechselwirkenden Objekte sind, r der Abstand zwischen den Massenschwerpunkten ist und G die Gravitationskonstante ist .

Newtons Theorie hatte ihren größten Erfolg, als sie verwendet wurde, um die Existenz von Neptun auf der Grundlage von Bewegungen des Uranus vorherzusagen , die nicht durch die Aktionen der anderen Planeten erklärt werden konnten. Berechnungen von John Couch Adams und Urbain Le Verrier sagten die allgemeine Position des Planeten voraus, und Le Verriers Berechnungen führten Johann Gottfried Galle zur Entdeckung von Neptun.

Eine Diskrepanz in Merkurs Umlaufbahn wies auf Mängel in Newtons Theorie hin. Ende des 19. Jahrhunderts war bekannt, dass seine Umlaufbahn leichte Störungen aufwies, die nach Newtons Theorie nicht vollständig erklärt werden konnten, aber alle Suchen nach einem anderen störenden Körper (wie einem Planeten, der die Sonne noch näher umkreist als Merkur) waren gewesen fruchtlos. Das Problem wurde 1915 durch Albert Einsteins neue allgemeine Relativitätstheorie gelöst , die für die geringe Diskrepanz in der Merkur-Umlaufbahn verantwortlich war. Diese Diskrepanz war der Fortschritt im Perihel des Merkur von 42,98 Bogensekunden pro Jahrhundert. [13]

Obwohl Newtons Theorie durch die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein ersetzt wurde, werden die meisten modernen nicht-relativistischen Gravitationsberechnungen immer noch unter Verwendung der Newtonschen Theorie durchgeführt, da sie einfacher zu handhaben ist und für die meisten Anwendungen mit ausreichend kleinen Massen, Geschwindigkeiten und Energien ausreichend genaue Ergebnisse liefert.

Äquivalenzprinzip

Das Äquivalenzprinzip , das von einer Reihe von Forschern wie Galileo, Loránd Eötvös und Einstein untersucht wurde, drückt die Idee aus, dass alle Objekte auf die gleiche Weise fallen und dass die Auswirkungen der Schwerkraft von bestimmten Aspekten der Beschleunigung und Verzögerung nicht zu unterscheiden sind. Der einfachste Weg, das Prinzip der schwachen Äquivalenz zu testen, besteht darin, zwei Objekte unterschiedlicher Masse oder Zusammensetzung in ein Vakuum fallen zu lassen und zu prüfen, ob sie gleichzeitig auf den Boden treffen. Solche Experimente zeigen, dass alle Objekte mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, wenn andere Kräfte (wie Luftwiderstand und elektromagnetische Effekte) vernachlässigbar sind. Anspruchsvollere Tests verwenden eine Torsionswaage eines von Eötvös erfundenen Typs. Satellitenexperimente, zum Beispiel STEPsind für genauere Experimente im Weltraum geplant. [14]

Formulierungen des Äquivalenzprinzips umfassen:

  • Das schwache Äquivalenzprinzip: Die Flugbahn einer Punktmasse in einem Gravitationsfeld hängt nur von ihrer Ausgangsposition und Geschwindigkeit ab und ist unabhängig von ihrer Zusammensetzung. [fünfzehn]
  • Das Einsteinsche Äquivalenzprinzip: Das Ergebnis eines lokalen Nichtgravitationsexperiments in einem frei fallenden Labor ist unabhängig von der Geschwindigkeit des Labors und seiner Position in der Raumzeit. [16]
  • Das Prinzip der starken Äquivalenz erfordert beides.

Generelle Relativität

Zweidimensionale Analogie der Raumzeitverzerrung, die durch die Masse eines Objekts erzeugt wird. Materie verändert die Geometrie der Raumzeit, wobei diese (gekrümmte) Geometrie als Schwerkraft interpretiert wird. Weiße Linien repräsentieren nicht die Krümmung des Raums, sondern das Koordinatensystem, das der gekrümmten Raumzeit auferlegt wird, die in einer flachen Raumzeit geradlinig wäre .

In der allgemeinen Relativitätstheorie werden die Auswirkungen der Gravitation auf zugeschrieben Raum - Zeit - Krümmung anstelle einer Kraft. Ausgangspunkt für die allgemeine Relativitätstheorie ist das Äquivalenzprinzip , das den freien Fall mit der Trägheitsbewegung gleichsetzt und frei fallende Trägheitsobjekte als gegenüber nicht trägen Beobachtern am Boden beschleunigt beschreibt. [17] [18] In der Newtonschen Physik kann eine solche Beschleunigung jedoch nur auftreten, wenn mindestens eines der Objekte mit einer Kraft beaufschlagt wird.

Einstein schlug vor, dass die Raumzeit durch Materie gekrümmt wird und dass sich frei fallende Objekte in gekrümmter Raumzeit auf lokal geraden Pfaden bewegen. Diese geraden Pfade werden Geodäten genannt . Wie Newtons erstes Bewegungsgesetz besagt Einsteins Theorie, dass eine auf ein Objekt ausgeübte Kraft von einer geodätischen abweichen würde. Zum Beispiel folgen wir im Stehen nicht mehr der Geodäten, weil der mechanische Widerstand der Erde eine Aufwärtskraft auf uns ausübt und wir daher am Boden nicht träge sind. Dies erklärt, warum das Bewegen entlang der Geodäten in der Raumzeit als Trägheit betrachtet wird.

Einstein entdeckte die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, die das Vorhandensein von Materie und die Krümmung der Raumzeit in Beziehung setzen und nach ihm benannt sind. Die Einstein Feldgleichungen sind eine Reihe von 10 gleichzeitigen , nicht-linearen , Differentialgleichungen . Die Lösungen der Feldgleichungen sind die Komponenten des metrischen Tensors der Raumzeit. Ein metrischer Tensor beschreibt eine Geometrie der Raumzeit. Die geodätischen Pfade für eine Raumzeit werden aus dem metrischen Tensor berechnet.

Lösungen

Bemerkenswerte Lösungen der Einstein-Feldgleichungen umfassen:

  • Die Schwarzschild-Lösung , die die Raumzeit beschreibt, die ein sphärisch symmetrisches, nicht rotierendes, ungeladenes massives Objekt umgibt . Für ausreichend kompakte Objekte erzeugte diese Lösung ein Schwarzes Loch mit einer zentralen Singularität . Für radiale Abstände vom Zentrum, die viel größer als der Schwarzschild-Radius sind , sind die von der Schwarzschild-Lösung vorhergesagten Beschleunigungen praktisch identisch mit denen, die von Newtons Gravitationstheorie vorhergesagt werden.
  • Die Reissner-Nordström-Lösung , bei der das zentrale Objekt elektrisch geladen ist. Für Ladungen mit einer geometrischen Länge, die kleiner als die geometrische Länge der Masse des Objekts sind, erzeugt diese Lösung Schwarze Löcher mit doppeltem Ereignishorizont .
  • Die Kerr-Lösung zum Drehen massiver Objekte. Diese Lösung erzeugt auch Schwarze Löcher mit mehreren Ereignishorizonten.
  • Die Kerr-Newman-Lösung für geladene, rotierende massive Objekte. Diese Lösung erzeugt auch Schwarze Löcher mit mehreren Ereignishorizonten.
  • Die kosmologische Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Lösung , die die Expansion des Universums vorhersagt.

Tests

Die Tests der allgemeinen Relativitätstheorie umfassten Folgendes: [19]

  • Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt die anomale Perihelpräzession von Merkur . [20]
  • Die Vorhersage, dass die Zeit bei niedrigeren Potentialen langsamer läuft ( Gravitationszeitdilatation ), wurde durch das Pound-Rebka-Experiment (1959), das Hafele-Keating-Experiment und das GPS bestätigt .
  • Die Vorhersage der Ablenkung des Lichts wurde erstmals von Arthur Stanley Eddington aus seinen Beobachtungen während der Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919 bestätigt . [21] [22] Eddington maß die Ablenkung des Sternenlichts doppelt so hoch wie die Newtonsche Korpuskulartheorie gemäß den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Seine Interpretation der Ergebnisse wurde jedoch später bestritten. [23] Neuere Tests mit radiointerferometrischen Messungen von Quasaren, die hinter der Sonne vorbeiziehen, haben die Ablenkung des Lichts in dem durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagten Grad genauer und konsistenter bestätigt. [24] Siehe auch Gravitationslinse .
  • Die Zeitverzögerung von Licht, das sich einem massiven Objekt nähert, wurde erstmals 1964 von Irwin I. Shapiro in interplanetaren Raumfahrzeugsignalen identifiziert .
  • Die Gravitationsstrahlung wurde indirekt durch Untersuchungen von binären Pulsaren bestätigt . Am 11. Februar 2016 kündigten die Kooperationen von LIGO und Virgo die erste Beobachtung einer Gravitationswelle an.
  • Alexander Friedmann fand 1922 heraus, dass Einstein-Gleichungen instationäre Lösungen haben (auch in Gegenwart der kosmologischen Konstante ). 1927 zeigte Georges Lemaître , dass statische Lösungen der Einstein-Gleichungen, die in Gegenwart der kosmologischen Konstante möglich sind, instabil sind und daher das von Einstein ins Auge gefasste statische Universum nicht existieren kann. Später, 1931, stimmte Einstein selbst den Ergebnissen von Friedmann und Lemaître zu. Die allgemeine Relativitätstheorie sagte daher voraus, dass das Universum nicht statisch sein musste - es musste sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Die Expansion des Universums, die 1929 von Edwin Hubble entdeckt wurde, bestätigte diese Vorhersage. [25]
  • Die theoretische Vorhersage des Frame-Ziehens stimmte mit den jüngsten Ergebnissen der Schwerkraftsonde B überein . [26]
  • Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Licht seine Energie verlieren sollte, wenn es sich durch Gravitationsrotverschiebung von massiven Körpern entfernt . Dies wurde auf der Erde und im Sonnensystem um 1960 verifiziert.

Gravitations- und Quantenmechanik

Eine offene Frage ist, ob es möglich ist, die kleinräumigen Wechselwirkungen der Schwerkraft mit demselben Rahmen wie die Quantenmechanik zu beschreiben . Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt großräumige Bulk-Eigenschaften, während die Quantenmechanik den Rahmen für die Beschreibung der kleinsten Wechselwirkungen von Materie bildet. Ohne Änderungen sind diese Frameworks nicht kompatibel. [27]

Ein Weg ist die Beschreibung der Schwerkraft im Rahmen der Quantenfeldtheorie , die es geschafft hat, die anderen fundamentalen Wechselwirkungen genau zu beschreiben . Die elektromagnetische Kraft entsteht durch einen Austausch virtueller Photonen , wobei die QFT-Beschreibung der Schwerkraft darin besteht, dass virtuelle Gravitonen ausgetauscht werden . [28] [29] Diese Beschreibung gibt die allgemeine Relativitätstheorie in der klassischen Grenze wieder . Allerdings scheitert dieser Ansatz in kurzen Abständen von der Größenordnung der Planck - Länge , [27] , wo eine vollständigere Theorie der Quantengravitation (oder ein neuer Ansatz für die Quantenmechanik) erforderlich.

Besonderheiten

Die Schwerkraft der Erde

Ein anfangs stationäres Objekt, das unter der Schwerkraft frei fallen darf, fällt um eine Strecke ab, die proportional zum Quadrat der verstrichenen Zeit ist. Dieses Bild erstreckt sich über eine halbe Sekunde und wurde mit 20 Blitzen pro Sekunde aufgenommen.

Jeder Planetenkörper (einschließlich der Erde) ist von einem eigenen Gravitationsfeld umgeben, das mit der Newtonschen Physik so konzipiert werden kann, dass es eine Anziehungskraft auf alle Objekte ausübt. Unter der Annahme eines kugelsymmetrischen Planeten ist die Stärke dieses Feldes an einem bestimmten Punkt über der Oberfläche proportional zur Masse des Planetenkörpers und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung vom Körpermittelpunkt.

Wenn ein Objekt mit einer vergleichbaren Masse wie die Erde darauf fallen würde, wäre die entsprechende Beschleunigung der Erde beobachtbar.

Die Stärke des Gravitationsfeldes ist numerisch gleich der Beschleunigung von Objekten unter seinem Einfluss. [30] Die Beschleunigungsrate fallender Objekte in der Nähe der Erdoberfläche variiert geringfügig je nach Breitengrad, Oberflächenmerkmalen wie Bergen und Kämmen und möglicherweise ungewöhnlich hohen oder niedrigen Dichten unter der Oberfläche. [31] Für Gewichte und Maße wird vom Internationalen Büro für Gewichte und Maße im Rahmen des Internationalen Einheitensystems (SI) ein Standard-Schwerkraftwert festgelegt .

Dieser mit g bezeichnete Wert ist g = 9,80665 m / s 2 (32,1740 ft / s 2 ). [32] [33]

Der Standardwert von 9,80665 m / s 2 ist der ursprünglich vom Internationalen Komitee für Gewichte und Maße im Jahr 1901 angenommene Wert für 45 ° Breite, obwohl sich herausgestellt hat, dass er um etwa fünf von zehntausend Teilen zu hoch ist. [34] Dieser Wert hat sich in der Meteorologie und in einigen Standardatmosphären als Wert für den 45 ° Breitengrad beibehalten, obwohl er genauer für den Breitengrad von 45 ° 32'33 "gilt. [35]

Unter der Annahme des standardisierten Werts für g und ohne Berücksichtigung des Luftwiderstands bedeutet dies, dass ein Objekt, das frei in die Nähe der Erdoberfläche fällt, seine Geschwindigkeit für jede Sekunde seines Abstiegs um 9,80665 m / s (32,1740 ft / s oder 22 mph) erhöht. Somit erreicht ein Objekt, das aus dem Ruhezustand beginnt, nach einer Sekunde eine Geschwindigkeit von 9,80665 m / s (32,1740 ft / s), nach zwei Sekunden ungefähr 19,62 m / s (64,4 ft / s) usw. und fügt 9,80665 m / s hinzu (32,1740 ft / s) zu jeder resultierenden Geschwindigkeit. Wenn Sie den Luftwiderstand erneut ignorieren, treffen alle Objekte, wenn sie aus derselben Höhe fallen, gleichzeitig auf den Boden.

Nach dem 3. Newtonschen Gesetz erfährt die Erde selbst eine Kraft, die gleich groß und entgegengesetzt zu der Richtung ist, die sie auf ein fallendes Objekt ausübt. Dies bedeutet, dass die Erde auch auf das Objekt zu beschleunigt, bis sie kollidieren. Da die Masse der Erde jedoch riesig ist, ist die Beschleunigung, die der Erde durch diese entgegengesetzte Kraft verliehen wird, im Vergleich zur des Objekts vernachlässigbar. Wenn das Objekt nach einer Kollision mit der Erde nicht abprallt, übt jedes von ihnen eine abstoßende Kontaktkraft auf das andere aus, die die Anziehungskraft der Schwerkraft effektiv ausgleicht und eine weitere Beschleunigung verhindert.

Die Schwerkraft auf der Erde ergibt sich aus (Vektorsumme) zweier Kräfte: [36] (a) Die Anziehungskraft nach Newtons universellem Gravitationsgesetz und (b) die Zentrifugalkraft, die sich aus der Wahl einer ergibt erdgebundener, rotierender Referenzrahmen. Die Schwerkraft ist am Äquator aufgrund der durch die Erdrotation verursachten Zentrifugalkraft am schwächsten und weil die Punkte am Äquator am weitesten vom Erdmittelpunkt entfernt sind. Die Schwerkraft variiert mit dem Breitengrad und steigt von etwa 9,780 m / s 2 am Äquator auf etwa 9,832 m / s 2 an den Polen.

Gleichungen für einen fallenden Körper nahe der Erdoberfläche

Unter der Annahme einer konstanten Anziehungskraft vereinfacht sich das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation auf F = mg , wobei m die Masse des Körpers und g ein konstanter Vektor mit einer durchschnittlichen Größe von 9,81 m / s 2 auf der Erde ist. Diese resultierende Kraft ist das Gewicht des Objekts. Die Erdbeschleunigung ist gleich diesem g . Ein anfänglich stationäres Objekt, das unter der Schwerkraft frei fallen darf, fällt um eine Strecke ab, die proportional zum Quadrat der verstrichenen Zeit ist. Das Bild rechts, das sich über eine halbe Sekunde erstreckte, wurde mit einem Stroboskopblitz mit 20 Blitzen pro Sekunde aufgenommen. Während der ersten 120 Sekunden lang fällt der Ball um eine Entfernungseinheit (hier beträgt eine Einheit etwa 12 mm); um 220 ist es um insgesamt 4 Einheiten gefallen; um 320 , 9 Einheiten und so weiter.

Unter den gleichen Annahmen konstanten Schwerkraft, die potentielle Energie , E p , eines Körpers auf der Höhe h ist gegeben durch E p = MGH (oder E p = Wh , wobei W bedeutet Gewicht). Dieser Ausdruck gilt nur über kleine Entfernungen h von der Erdoberfläche. In ähnlicher Weise ist der Ausdruck für die maximale Höhe, die ein vertikal projizierter Körper mit der Anfangsgeschwindigkeit v erreicht, nur für kleine Höhen und kleine Anfangsgeschwindigkeiten nützlich.

Schwerkraft und Astronomie

Die Schwerkraft wirkt auf Sterne, die die Milchstraße bilden . [37]

Die Anwendung des Newtonschen Gravitationsgesetzes hat es ermöglicht, einen Großteil der detaillierten Informationen zu erhalten, die wir über die Planeten im Sonnensystem, die Masse der Sonne und Einzelheiten von Quasaren haben . Sogar die Existenz dunkler Materie wird unter Verwendung des Newtonschen Gravitationsgesetzes abgeleitet. Obwohl wir weder zu allen Planeten noch zur Sonne gereist sind, kennen wir ihre Massen. Diese Massen werden erhalten, indem die Schwerkraftgesetze auf die gemessenen Eigenschaften der Umlaufbahn angewendet werden. Im Raum behält ein Objekt seine Umlaufbahn aufgrund der auf es einwirkenden Schwerkraft bei. Planeten umkreisen Sterne, Sterne umkreisen galaktische Zentren , Galaxien umkreisen einen Massenschwerpunkt in Clustern und Cluster umkreisen Supercluster. Die Schwerkraft, die von einem anderen auf ein Objekt ausgeübt wird, ist direkt proportional zum Produkt der Massen dieser Objekte und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen.

Die früheste Schwerkraft (möglicherweise in Form von Quantengravitation, Supergravitation oder Gravitationssingularität ) entwickelte sich zusammen mit dem gewöhnlichen Raum und der gewöhnlichen Zeit während der Planck-Epoche (bis zu 10 bis 43 Sekunden nach der Geburt des Universums), möglicherweise aus einer Urzeit Zustand (wie ein falsches Vakuum , ein Quantenvakuum oder ein virtuelles Teilchen ) auf derzeit unbekannte Weise. [5]

Gravitationsstrahlung

Das LIGO Hanford Observatory in Washington, USA, wo im September 2015 erstmals Gravitationswellen beobachtet wurden.

Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Energie durch Gravitationsstrahlung aus einem System transportiert werden kann. Jede beschleunigende Materie kann Krümmungen in der Raum-Zeit-Metrik erzeugen, wodurch die Gravitationsstrahlung vom System wegtransportiert wird. Umlaufende Objekte können räumlich-zeitliche Krümmungen erzeugen, z. B. das Erde-Sonne-System, Paare von Neutronensternen und Paare von Schwarzen Löchern. Ein anderes astrophysikalisches System, von dem vorhergesagt wird, dass es Energie in Form von Gravitationsstrahlung verliert, explodiert in Supernovae.

Der erste indirekte Beweis für Gravitationsstrahlung war die Messung der Hulse-Taylor-Binärdatei im Jahr 1973. Dieses System besteht aus einem Pulsar und einem Neutronenstern, die sich in einer Umlaufbahn umeinander befinden. Seine Umlaufzeit hat sich seit seiner ersten Entdeckung aufgrund eines Energieverlusts verringert, der für den Betrag des Energieverlusts aufgrund von Gravitationsstrahlung konsistent ist. Diese Forschung wurde 1993 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Der erste direkte Nachweis für Gravitationsstrahlung wurde am 14. September 2015 von den LIGO- Detektoren gemessen . Die Gravitationswellen, die während der Kollision zweier 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernter Schwarzer Löcher emittiert wurden, wurden gemessen. [38] [39] Diese Beobachtung bestätigt die theoretischen Vorhersagen von Einstein und anderen, dass solche Wellen existieren. Es eröffnet auch den Weg für die praktische Beobachtung und das Verständnis der Natur der Schwerkraft und der Ereignisse im Universum, einschließlich des Urknalls. [40] Die Bildung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern erzeugt auch nachweisbare Mengen an Gravitationsstrahlung. [41] Diese Forschung wurde 2017 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. [42]

Ab 2020 ist die vom Sonnensystem emittierte Gravitationsstrahlung viel zu gering, um mit der aktuellen Technologie gemessen zu werden.

Schwerkraftgeschwindigkeit

Im Dezember 2012 gab ein Forscherteam in China bekannt, dass es Messungen der Phasenverzögerung von Gezeiten auf Voll- und Neumonden durchgeführt hat, die zu beweisen scheinen, dass die Schwerkraft gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. [43] Dies bedeutet, dass wenn die Sonne plötzlich verschwindet, die Erde den freien Punkt normalerweise 8 Minuten lang umkreist. Dies ist die Zeit, die das Licht benötigt, um diese Strecke zurückzulegen. Die Ergebnisse des Teams wurden im Februar 2013 im Chinese Science Bulletin veröffentlicht. [44]

Im Oktober 2017 empfingen die LIGO- und Virgo-Detektoren Gravitationswellensignale innerhalb von 2 Sekunden, nachdem Gammastrahlensatelliten und optische Teleskope Signale aus derselben Richtung gesehen hatten. Dies bestätigte, dass die Geschwindigkeit der Gravitationswellen der Lichtgeschwindigkeit entsprach. [45]

Anomalien und Diskrepanzen

Es gibt einige Beobachtungen, die nicht angemessen berücksichtigt werden, was auf die Notwendigkeit besserer Gravitationstheorien hinweisen oder vielleicht auf andere Weise erklärt werden kann.

Rotationskurve einer typischen Spiralgalaxie: vorhergesagt ( A ) und beobachtet ( B ). Die Diskrepanz zwischen den Kurven wird der dunklen Materie zugeschrieben .
  • Extra schnelle Sterne : Sterne in Galaxien folgen einer Geschwindigkeitsverteilung, bei der sich Sterne am Stadtrand gemäß den beobachteten Verteilungen normaler Materie schneller bewegen als sie sollten. Galaxien in Galaxienhaufen zeigen ein ähnliches Muster. Dunkle Materie , die durch Gravitation, aber nicht elektromagnetisch interagieren würde, würde die Diskrepanz erklären. Es wurden auch verschiedene Modifikationen der Newtonschen Dynamik vorgeschlagen.
  • Vorbeiflug-Anomalie : Verschiedene Raumfahrzeuge haben bei Schwerkraftunterstützungsmanövern eine stärkere Beschleunigung als erwartet erfahren.
  • Beschleunigung der Expansion : Die metrische Expansion des Raums scheint sich zu beschleunigen. Dunkle Energie wurde vorgeschlagen, um dies zu erklären. Eine neuere alternative Erklärung ist, dass die Geometrie des Raums (aufgrund von Galaxienhaufen) nicht homogen ist und dass sich die Expansion nicht beschleunigt, wenn die Daten neu interpretiert werden, um dies zu berücksichtigen [46]. Diese Schlussfolgerung ist jedoch umstritten . [47]
  • Anomale Zunahme der astronomischen Einheit : Jüngste Messungen zeigen, dass sich die Planetenbahnen schneller ausdehnen , als wenn dies nur durch die Sonne geschehen würde, die durch Strahlung von Energie Masse verliert.
  • Extraenergetische Photonen : Photonen, die sich durch Galaxienhaufen bewegen, sollten Energie gewinnen und diese auf dem Weg nach draußen wieder verlieren. Die beschleunigte Expansion des Universums sollte verhindern, dass die Photonen die gesamte Energie zurückgeben, aber selbst wenn dies berücksichtigt wird, gewinnen Photonen aus der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung doppelt so viel Energie wie erwartet. Dies kann darauf hinweisen, dass die Schwerkraft bei bestimmten Entfernungsskalen schneller abfällt als im Quadrat. [48]
  • Extra massive Wasserstoffwolken : Die Spektrallinien des Lyman-Alpha-Waldes deuten darauf hin, dass Wasserstoffwolken in bestimmten Maßstäben stärker verklumpt sind als erwartet und wie ein dunkler Fluss darauf hinweisen können, dass die Schwerkraft in bestimmten Entfernungsskalen langsamer abfällt als im Quadrat. [48]

Alternative Theorien

Historische alternative Theorien

  • Aristotelische Gravitationstheorie
  • Le Sages Gravitationstheorie (1784), auch LeSage-Gravitation genannt, vorgeschlagen von Georges-Louis Le Sage , basierend auf einer Erklärung auf Flüssigkeitsbasis, bei der ein leichtes Gas das gesamte Universum füllt.
  • Ritz 'Gravitationstheorie , Ann. Chem. Phys. 13, 145, (1908), S. 267–271, Weber-Gauss-Elektrodynamik, angewendet auf die Gravitation. Klassische Weiterentwicklung der Perihelie.
  • Nordströms Gravitationstheorie (1912, 1913), ein früher Konkurrent der Allgemeinen Relativitätstheorie.
  • Kaluza Klein Theorie (1921)
  • Whiteheads Gravitationstheorie (1922), ein weiterer früher Konkurrent der allgemeinen Relativitätstheorie.

Moderne alternative Theorien

  • Brans-Dicke- Gravitationstheorie (1961) [49]
  • Induzierte Schwerkraft (1967), ein Vorschlag von Andrei Sacharow, wonach sich die allgemeine Relativitätstheorie aus Quantenfeldtheorien der Materie ergeben könnte
  • Stringtheorie (Ende der 1960er Jahre)
  • ƒ (R) Schwerkraft (1970)
  • Horndeski-Theorie (1974) [50]
  • Supergravity (1976)
  • In der modifizierten Newtonschen Dynamik (MOND) (1981) schlägt Mordehai Milgrom eine Modifikation des zweiten Newtonschen Bewegungsgesetzes für kleine Beschleunigungen vor [51].
  • Die Selbstschöpfungskosmologietheorie der Schwerkraft (1982) von GA Barber, in der die Brans-Dicke-Theorie modifiziert wird, um Massenschöpfung zu ermöglichen
  • Loop-Quantengravitation (1988) von Carlo Rovelli , Lee Smolin und Abhay Ashtekar
  • Unsymmetrische Gravitationstheorie (NGT) (1994) von John Moffat
  • Tensor-Vektor-Skalar-Schwerkraft (TeVeS) (2004), eine relativistische Modifikation von MOND von Jacob Bekenstein
  • Chamäleontheorie (2004) von Justin Khoury und Amanda Weltman .
  • Pressuron-Theorie (2013) von Olivier Minazzoli und Aurélien Hees .
  • Konforme Schwerkraft [52]
  • Schwerkraft als entropische Kraft , Schwerkraft als emergentes Phänomen aus dem thermodynamischen Konzept der Entropie.
  • In der Superfluid-Vakuum-Theorie entstehen die Schwerkraft und die gekrümmte Raumzeit als kollektiver Anregungsmodus des nicht-relativistischen Hintergrund- Superfluids .
  • Massive Schwerkraft , eine Theorie, bei der Gravitonen und Gravitationswellen eine Masse ungleich Null haben

Siehe auch

  • Anti-Schwerkraft , die Idee, die Schwerkraft zu neutralisieren oder abzuwehren
  • Künstliche Schwerkraft
  • Gaußsches Gesetz für die Schwerkraft
  • Gravitationspotential
  • Gravitationswelle
  • Keplers drittes Gesetz der Planetenbewegung
  • Mikro-g-Umgebung , auch Mikrogravitation genannt
  • Newtons Bewegungsgesetze
  • Standard-Gravitationsparameter
  • Schwerelosigkeit
  • Albert Einstein
  • Isaac Newton

Fußnoten

  1. ^ dict.cc dictionary :: gravitas :: Englisch-Lateinische Übersetzung
  2. ^ Comins, Neil F.; Kaufmann, William J. (2008). Das Universum entdecken: Von den Sternen zu den Planeten . MacMillan. p. 347. Bibcode : 2009dufs.book ..... C . ISBN 978-1429230421.
  3. ^ "HubbleSite: Schwarze Löcher: Der unerbittliche Zug der Schwerkraft" . hubblesite.org . Abgerufen am 7. Oktober 2016 .
  4. ^ Krebs, Robert E. (1999). Wissenschaftliche Entwicklung und Missverständnisse im Wandel der Zeit: Ein Referenzhandbuch (illustrierte Ausgabe). Greenwood Publishing Group. p. 133 . ISBN 978-0-313-30226-8.
  5. ^ a b Mitarbeiter. "Geburt des Universums" . Universität von Oregon . Abgerufen am 24. September 2016 .- diskutiert " Planck-Zeit " und " Planck-Ära " am Anfang des Universums
  6. ^ Reviel Neitz; William Noel (13. Oktober 2011). Der Archimedes-Kodex: Enthüllung der Geheimnisse des größten Palimpsest der Welt . Hachette UK. p. 125. ISBN 978-1-78022-198-4.CS1-Wartung: mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  7. ^ CJ Tuplin, Lewis Wolpert (2002). Wissenschaft und Mathematik in der antiken griechischen Kultur . Hachette UK. p. xi. ISBN 978-0-19-815248-4.
  8. ^ Vitruvius, Marcus Pollio (1914). "7" . In Alfred A. Howard (Hrsg.). De Architectura libri decem [ Zehn Bücher über Architektur ]. VII . Herbert Langford Warren, Nelson Robinson (Bild), Morris Hicky Morgan. Harvard University, Cambridge: Harvard University Press. p. 215.
  9. ^ Ball, Phil (Juni 2005). "Lügengeschichten". Nature News . doi : 10.1038 / news050613-10 .
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Weiterführende Literatur

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Externe Links

  • "Gravitation" , Encyclopedia of Mathematics , EMS Press , 2001 [1994]
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