Zwaartekracht

Een deel van een serie over
Klassieke mechanica
${\ displaystyle {\ textbf {F}} = {\ frac {d} {dt}} (m {\ textbf {v}})}$ Tweede bewegingswet
Geschiedenis Tijdlijn Leerboeken
Takken Toegepast Hemel Continuum Dynamiek Kinematica Kinetiek Statica Statistisch
Fundamentals Versnelling Impulsmoment Paar Het principe van D'Alembert Energie kinetisch potentieel Dwingen Referentiekader Traagheidskader Impuls Inertie  / Traagheidsmoment Massa Mechanische kracht Mechanisch werk Moment Momentum Ruimte Snelheid Tijd Koppel Snelheid Virtueel werk
Formuleringen Newton's bewegingswetten Analytische mechanica Lagrangiaanse mechanica Hamiltoniaanse mechanica Routhiaanse mechanica Hamilton-Jacobi-vergelijking Appell's bewegingsvergelijking Koopman-von Neumann mechanica
Kernonderwerpen Dempingsverhouding Verplaatsing Bewegingsvergelijkingen De bewegingswetten van Euler Fictieve kracht Wrijving Harmonische oscillator Inertieel  / niet-inertiaal referentiekader Mechanica van vlakke deeltjesbeweging Beweging  ( lineair ) Newton's wet van universele zwaartekracht Newton's bewegingswetten Relatieve snelheid Stijf lichaam dynamiek Euler's vergelijkingen Simpele harmonische beweging Trillingen
Rotatie Cirkelvormige beweging Roterend referentiekader Middelpuntzoekende kracht Centrifugale kracht reactief Coriolis-kracht Slinger Tangentiële snelheid Draaisnelheid Hoekversnelling  / verplaatsing  / frequentie  / snelheid
Wetenschappers Kepler Galileo Huygens Newton Horrocks Halley Daniel Bernoulli Johann Bernoulli Euler d'Alembert Clairaut Lagrange Laplace Hamilton vergif Cauchy Routh Liouville Appell Gibbs Koopman von Neumann
Categorieën ​
v t e

Speel media af

Hamer en veer laten vallen: astronaut David Scott (van missie Apollo 15 ) op de maan die de legende van het zwaartekrachtexperiment van Galileo naspeelt

Gravity (uit het Latijn gravitas  'gewicht' ^[1] ), of de zwaartekracht , is een natuurlijk verschijnsel waarbij alle dingen met massa of energie -inclusief planeten , sterren , sterrenstelsels , en zelfs licht ^[2] -zijn gebracht in de richting van (of aangetrokken in de richting van ) elkaar. On Earth , zwaartekracht geeft gewicht aan fysieke objecten , en de maan 's zwaartekracht zorgt ervoor dat de oceaan getijden​De aantrekkingskracht van de oorspronkelijke gasvormige materie die in het heelal aanwezig was, zorgde ervoor dat het begon samen te smelten en sterren te vormen, en dat de sterren zich groepeerden tot sterrenstelsels, dus de zwaartekracht is verantwoordelijk voor veel van de grootschalige structuren in het heelal. De zwaartekracht heeft een oneindig bereik, hoewel de effecten ervan zwakker worden naarmate objecten verder weg komen.

De zwaartekracht wordt het nauwkeurigst beschreven door de algemene relativiteitstheorie (voorgesteld door Albert Einstein in 1915), die de zwaartekracht niet beschrijft als een kracht, maar als een gevolg van massa's die langs geodetische lijnen bewegen in een gekromde ruimtetijd veroorzaakt door de ongelijke verdeling van massa. Het meest extreme voorbeeld van deze kromming van de ruimtetijd is een zwart gat , waaruit niets, zelfs niet licht kan een keer ontsnappen langs het zwarte gat event horizon . ^[3] Voor de meeste toepassingen wordt de zwaartekracht echter goed benaderd door de wet van Newton van universele zwaartekracht , die de zwaartekracht beschrijft als een krachtwaardoor twee lichamen naar elkaar toe worden aangetrokken, met een grootte evenredig met het product van hun massa en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen hen.

De zwaartekracht is de zwakste van de vier fundamentele interacties van de fysica, ongeveer 10 ³⁸ keer zwakker dan de sterke interactie , 10 ³⁶ keer zwakker dan de elektromagnetische kracht en 10 ²⁹ keer zwakker dan de zwakke interactie . Als gevolg hiervan heeft het geen significante invloed op het niveau van subatomaire deeltjes. ^[4] Het is daarentegen de dominante interactie op macroscopische schaal , en is de oorzaak van de vorming, vorm en baan ( baan ) van astronomische lichamen .

Huidige modellen van deeltjesfysica impliceren dat het vroegste geval van zwaartekracht in het heelal, mogelijk in de vorm van kwantumzwaartekracht , superzwaartekracht of een gravitationele singulariteit , samen met gewone ruimte en tijd , zich ontwikkelde tijdens het Planck-tijdperk (tot 10 ⁻⁴³ seconden na de geboorte van het heelal), mogelijk vanuit een oertoestand, zoals een vals vacuüm , kwantumvacuüm of virtueel deeltje , op een momenteel onbekende manier. ^[5] Pogingen om een ​​zwaartekrachttheorie te ontwikkelen die consistent is metDe kwantummechanica , een kwantumzwaartekrachttheorie , die het mogelijk maakt om de zwaartekracht te verenigen in een gemeenschappelijk wiskundig raamwerk (een theorie van alles ) met de andere drie fundamentele interacties van de fysica, is een actueel onderzoeksgebied.

Geschiedenis van de zwaartekrachttheorie

Oude wereld

De oude Griekse filosoof Archimedes ontdekte het zwaartepunt van een driehoek. ^[6] Hij postuleerde ook dat als twee gelijke gewichten niet hetzelfde zwaartepunt zouden hebben, het zwaartepunt van de twee gewichten samen in het midden van de lijn zou liggen die hun zwaartepunten met elkaar verbindt. ^[7]

De Romeinse architect en ingenieur Vitruvius in De Architectura stelde dat de zwaartekracht van een object niet afhangt van het gewicht, maar van de ‘aard’. ^[8]

In het oude India identificeerde Aryabhata voor het eerst de kracht om uit te leggen waarom objecten niet naar buiten worden gegooid terwijl de aarde draait. Brahmagupta beschreef zwaartekracht als een aantrekkingskracht en gebruikte de term "gurutvaakarshan" voor zwaartekracht. ^{[9] [10]}

Wetenschappelijke revolutie

Modern werk over zwaartekrachttheorie begon met het werk van Galileo Galilei in de late 16e en vroege 17e eeuw. In zijn beroemde (hoewel mogelijk apocriefe ^[11] ) experiment waarbij ballen uit de toren van Pisa werden gegooid , en later met nauwkeurige metingen van ballen die van hellingen afrolden , toonde Galileo aan dat de zwaartekrachtversnelling hetzelfde is voor alle objecten. Dit was een belangrijke afwijking van Aristoteles 'overtuiging dat zwaardere objecten een hogere zwaartekrachtversnelling hebben. ^[12] Galileo veronderstelde luchtweerstandals reden dat objecten met minder massa langzamer in een atmosfeer vallen. Galileo's werk vormde de weg vrij voor de formulering van Newtons zwaartekrachttheorie. ^[13]

Newtons zwaartekrachttheorie

In 1687, Engels wiskundige Sir Isaac Newton gepubliceerd Principia , die de hypothese inverse vierkante wet van de universele zwaartekracht. In zijn eigen woorden: 'Ik leidde af dat de krachten die de planeten in hun orbs houden, wederkerig moeten zijn als de vierkanten van hun afstanden tot de centra waar ze om draaien: en daarmee vergeleken de kracht die nodig is om de maan in haar orbs te houden. met de zwaartekracht aan de oppervlakte van de aarde; en ik vond ze bijna antwoord. " ^[14] De vergelijking is de volgende:

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

Waar F de kracht is, m ₁ en m ₂ de massa's van de objecten die op elkaar inwerken, r de afstand tussen de middelpunten van de massa's en G de gravitatieconstante .

Newtons theorie kende het grootste succes toen ze werd gebruikt om het bestaan ​​van Neptunus te voorspellen op basis van bewegingen van Uranus die niet konden worden verklaard door de acties van de andere planeten. Berekeningen door zowel John Couch Adams als Urbain Le Verrier voorspelden de algemene positie van de planeet, en de berekeningen van Le Verrier hebben Johann Gottfried Galle ertoe gebracht Neptunus te ontdekken.

Een discrepantie in de baan van Mercurius wees op gebreken in de theorie van Newton. Tegen het einde van de 19e eeuw was bekend dat zijn baan lichte verstoringen vertoonde die niet volledig konden worden verklaard onder de theorie van Newton, maar alle zoekopdrachten naar een ander storend lichaam (zoals een planeet die zelfs dichter bij de zon draait dan Mercurius) was uitgevoerd. vruchteloos. Het probleem werd in 1915 opgelost door de nieuwe algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein , die de kleine discrepantie in de baan van Mercurius verklaarde. Deze discrepantie was de vooruitgang in het perihelium van Mercurius van 42,98 boogseconden per eeuw. ^[15]

Hoewel de theorie van Newton is vervangen door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, worden de meeste moderne niet-relativistische zwaartekrachtberekeningen nog steeds gemaakt met de theorie van Newton, omdat het eenvoudiger is om mee te werken en het voldoende nauwkeurige resultaten geeft voor de meeste toepassingen met voldoende kleine massa's, snelheden en energieën.

Gelijkwaardigheidsbeginsel

Het equivalentieprincipe , onderzocht door een opeenvolging van onderzoekers, waaronder Galileo, Loránd Eötvös en Einstein, drukt het idee uit dat alle objecten op dezelfde manier vallen en dat de effecten van zwaartekracht niet te onderscheiden zijn van bepaalde aspecten van versnelling en vertraging. De eenvoudigste manier om het zwakke equivalentieprincipe te testen, is door twee objecten van verschillende massa of samenstelling in een vacuüm te laten vallen en te kijken of ze tegelijkertijd de grond raken. Dergelijke experimenten tonen aan dat alle objecten met dezelfde snelheid vallen als andere krachten (zoals luchtweerstand en elektromagnetische effecten) verwaarloosbaar zijn. Meer geavanceerde tests gebruiken een torsiebalans van een type dat is uitgevonden door Eötvös. Satellietexperimenten, bijvoorbeeld STEP, zijn gepland voor nauwkeurigere experimenten in de ruimte. ^[16]

Formuleringen van het equivalentieprincipe zijn onder meer:

• Het zwakke equivalentieprincipe: het traject van een puntmassa in een zwaartekrachtveld hangt alleen af ​​van zijn beginpositie en snelheid, en is onafhankelijk van zijn samenstelling. ^[17]
• Het equivalentieprincipe van Einstein: De uitkomst van elk lokaal niet-gravitatie-experiment in een vrij vallend laboratorium is onafhankelijk van de snelheid van het laboratorium en zijn locatie in de ruimtetijd. ^[18]
• Het sterke equivalentieprincipe vereist beide bovenstaande.

Algemene relativiteitstheorie

In algemene relativiteit , worden de effecten van de zwaartekracht toegeschreven ruimtetijd kromming plaats van een kracht. Het uitgangspunt voor de algemene relativiteitstheorie is het equivalentieprincipe , dat vrije val gelijkstelt aan traagheidsbeweging en vrij vallende traagheidsobjecten beschrijft als versneld ten opzichte van niet-traagheidswaarnemers op de grond. ^{[19] [20]} In de Newtoniaanse fysica kan een dergelijke versnelling echter niet optreden, tenzij ten minste een van de objecten wordt bediend door een kracht.

Einstein stelde voor dat ruimtetijd gekromd is door materie, en dat vrij vallende objecten langs lokaal rechte paden bewegen in gekromde ruimtetijd. Deze rechte paden worden geodeten genoemd . Net als de eerste bewegingswet van Newton stelt de theorie van Einstein dat als er een kracht op een object wordt uitgeoefend, deze zou afwijken van een geodetische. We volgen bijvoorbeeld de geodeten niet langer terwijl we staan, omdat de mechanische weerstand van de aarde een opwaartse kracht op ons uitoefent, en als gevolg daarvan zijn we niet-traag op de grond. Dit verklaart waarom bewegen langs de geodeten in ruimtetijd als traagheid wordt beschouwd.

Einstein ontdekte de veldvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie, die de aanwezigheid van materie en de kromming van de ruimtetijd in verband brengen en die naar hem zijn vernoemd. De Einstein veldvergelijkingen een set van 10 gelijktijdige , niet-lineaire , differentiaalvergelijkingen . De oplossingen van de veldvergelijkingen zijn de componenten van de metrische tensor van ruimtetijd. Een metrische tensor beschrijft een geometrie van ruimtetijd. De geodetische paden voor een ruimtetijd worden berekend op basis van de metrische tensor.

Oplossingen

Opmerkelijke oplossingen van de Einstein-veldvergelijkingen zijn onder meer:

• De Schwarzschild-oplossing , die de ruimtetijd beschrijft rond een sferisch symmetrisch niet- roterend ongeladen massief object. Voor objecten die compact genoeg zijn, genereerde deze oplossing een zwart gat met een centrale singulariteit . Voor radiale afstanden van het centrum die veel groter zijn dan de Schwarzschild-straal , zijn de versnellingen die worden voorspeld door de Schwarzschild-oplossing praktisch identiek aan die voorspeld door de zwaartekrachttheorie van Newton.
• De Reissner-Nordström-oplossing , waarbij het centrale object een elektrische lading heeft. Voor ladingen met een geometrische lengte die kleiner zijn dan de geometrische lengte van de massa van het object, produceert deze oplossing zwarte gaten met een dubbele gebeurtenishorizon .
• De Kerr-oplossing voor het roteren van massieve objecten. Deze oplossing produceert ook zwarte gaten met meerdere eventhorizons.
• De Kerr-Newman-oplossing voor geladen, roterende massieve objecten. Deze oplossing produceert ook zwarte gaten met meerdere eventhorizons.
• De kosmologische Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-oplossing , die de uitbreiding van het heelal voorspelt.

Tests

De tests van de algemene relativiteitstheorie omvatten het volgende: ^[21]

• De algemene relativiteitstheorie verklaart de afwijkende periheliumprecessie van Mercurius . ^[22]
• De voorspelling dat de tijd langzamer verloopt bij lagere potentialen ( gravitationele tijddilatatie ) is bevestigd door het Pound-Rebka-experiment (1959), het Hafele-Keating-experiment en de GPS .
• De voorspelling van de afbuiging van het licht werd voor het eerst bevestigd door Arthur Stanley Eddington op basis van zijn waarnemingen tijdens de zonsverduistering van 29 mei 1919 . ^{[23] [24]} Eddington heeft de afbuiging van sterlicht tweemaal zo gemeten als voorspeld door de Newtoniaanse corpusculaire theorie, in overeenstemming met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. Zijn interpretatie van de resultaten werd later echter betwist. ^[25] Recentere tests met behulp van radio-interferometrische metingen van quasars die achter de zon passeren, hebben de afbuiging van licht nauwkeuriger en consistent bevestigd in de mate die wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. ^[26] Zie ook gravitatielens .
• De tijdvertraging van licht dat dichtbij een enorm object passeert, werd voor het eerst geïdentificeerd door Irwin I. Shapiro in 1964 in signalen van interplanetaire ruimtevaartuigen.
• Zwaartekrachtstraling is indirect bevestigd door studies van binaire pulsars . Op 11 februari 2016 kondigden de samenwerkingen tussen LIGO en Virgo de eerste waarneming van een zwaartekrachtgolf aan.
• Alexander Friedmann ontdekte in 1922 dat Einstein-vergelijkingen niet-stationaire oplossingen hebben (zelfs in aanwezigheid van de kosmologische constante ). In 1927 toonde Georges Lemaître aan dat statische oplossingen van de Einstein-vergelijkingen, die mogelijk zijn in aanwezigheid van de kosmologische constante, instabiel zijn, en daarom kon het door Einstein voorgestelde statische universum niet bestaan. Later, in 1931, ging Einstein zelf akkoord met de resultaten van Friedmann en Lemaître. De algemene relativiteitstheorie voorspelde dus dat het heelal niet-statisch moest zijn - het moest uitzetten of krimpen. De uitbreiding van het heelal, ontdekt door Edwin Hubble in 1929, bevestigde deze voorspelling. ^[27]
• De voorspelling van het slepen van frames in de theorie was consistent met de recente resultaten van Gravity Probe B. ^[28]
• De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat licht zijn energie zou moeten verliezen als het door zwaartekracht roodverschuiving weggaat van massieve lichamen . Dit werd rond 1960 op aarde en in het zonnestelsel geverifieerd.

Zwaartekracht en kwantummechanica

Een open vraag is of het mogelijk is om de kleinschalige interacties van zwaartekracht te beschrijven met hetzelfde raamwerk als de kwantummechanica . De algemene relativiteitstheorie beschrijft grootschalige bulkeigenschappen, terwijl de kwantummechanica het raamwerk is om de interacties van materie op de kleinste schaal te beschrijven. Zonder aanpassingen zijn deze frameworks incompatibel. ^[29]

Eén pad is om de zwaartekracht te beschrijven in het kader van de kwantumveldentheorie , die erin is geslaagd om de andere fundamentele interacties nauwkeurig te beschrijven . De elektromagnetische kracht komt voort uit een uitwisseling van virtuele fotonen , waarbij de QFT-beschrijving van zwaartekracht is dat er een uitwisseling van virtuele gravitonen is . ^{[30] [31]} Deze beschrijving reproduceert de algemene relativiteitstheorie in de klassieke limiet . Deze benadering faalt op korte afstand van de orde van de Planck lengte , ^[29] waarbij een volledige theorie van kwantumgravitatie (of een nieuwe benadering van kwantum mechanica) vereist.

Bijzonderheden

De zwaartekracht van de aarde

Elk planetair lichaam (inclusief de aarde) is omgeven door zijn eigen zwaartekrachtveld, dat met de Newtoniaanse fysica kan worden geconceptualiseerd als het uitoefenen van een aantrekkingskracht op alle objecten. Uitgaande van een sferisch symmetrische planeet, is de sterkte van dit veld op een bepaald punt boven het oppervlak evenredig met de massa van het planetaire lichaam en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tot het centrum van het lichaam.

De sterkte van het zwaartekrachtveld is numeriek gelijk aan de versnelling van objecten onder zijn invloed. ^[32] De versnellingssnelheid van vallende objecten nabij het aardoppervlak varieert heel licht, afhankelijk van de breedtegraad, oppervlaktekenmerken zoals bergen en richels, en misschien ongewoon hoge of lage ondergrondse dichtheden. ^[33] Voor gewichten en maten wordt een standaard zwaartekrachtwaarde gedefinieerd door het International Bureau of Weights and Measures , onder het International System of Units (SI).

Die waarde, aangeduid met g , is g = 9,80665 m / s ² (32,1740 ft / s ² ). ^{[34] [35]}

De standaardwaarde van 9,80665 m / s ² is de waarde die oorspronkelijk in 1901 werd aangenomen door het Internationaal Comité voor Gewichten en Maatregelen voor 45 ° noorderbreedte, ook al is aangetoond dat deze ongeveer vijf op de tienduizend te hoog is. ^[36] Deze waarde is blijven bestaan ​​in de meteorologie en in sommige standaardatmosferen als de waarde voor 45 ° noorderbreedte, hoewel het nauwkeuriger van toepassing is op noorderbreedte van 45 ° 32'33 ". ^[37]

Uitgaande van de gestandaardiseerde waarde voor g en het negeren van de luchtweerstand, betekent dit dat een object dat vrij dicht bij het aardoppervlak valt, zijn snelheid met 9,80665 m / s (32,1740 ft / s of 22 mph) verhoogt voor elke seconde van zijn afdaling. Een object dat vanuit rust begint, bereikt dus een snelheid van 9,80665 m / s (32,1740 ft / s) na één seconde, ongeveer 19,62 m / s (64,4 ft / s) na twee seconden, enzovoort, waarbij 9,80665 m / s wordt opgeteld. (32.1740 ft / s) naar elke resulterende snelheid. Ook, wederom de luchtweerstand negerend, zullen alle objecten, wanneer ze van dezelfde hoogte vallen, tegelijkertijd de grond raken.

Volgens de derde wet van Newton ervaart de aarde zelf een kracht die even groot is en in tegengestelde richting is als die welke ze uitoefent op een vallend object. Dit betekent dat de aarde ook versnelt naar het object toe totdat ze in botsing komen. Omdat de massa van de aarde enorm is, is de versnelling die deze tegengestelde kracht aan de aarde geeft, verwaarloosbaar in vergelijking met die van het object. Als het object niet stuitert nadat het met de aarde is geraakt, oefent elk van hen een afstotende contactkracht uit op de ander, die de aantrekkingskracht van de zwaartekracht effectief in evenwicht houdt en verdere versnelling voorkomt.

De zwaartekracht op aarde is de resultante (vectorsom) van twee krachten: ^[38] (a) de zwaartekracht in overeenstemming met de universele wet van de zwaartekracht van Newton, en (b) de middelpuntvliedende kracht, die het gevolg is van de keuze van een aardgebonden, roterend referentiekader. De zwaartekracht is het zwakst op de evenaar vanwege de middelpuntvliedende kracht die wordt veroorzaakt door de rotatie van de aarde en omdat punten op de evenaar het verst van het middelpunt van de aarde verwijderd zijn. De zwaartekracht varieert met de breedtegraad en neemt toe van ongeveer 9,780 m / s ² aan de evenaar tot ongeveer 9,832 m / s ² aan de polen.

Vergelijkingen voor een vallend lichaam nabij het aardoppervlak

Onder de aanname van constante zwaartekracht wordt de wet van de universele zwaartekracht van Newton vereenvoudigd tot F = mg , waarbij m de massa van het lichaam is en g een constante vector met een gemiddelde magnitude van 9,81 m / s ² op aarde. Deze resulterende kracht is het gewicht van het object. De versnelling door de zwaartekracht is gelijk aan deze g . Een aanvankelijk stilstaand object dat vrij onder de zwaartekracht mag vallen, zakt een afstand af die evenredig is met het kwadraat van de verstreken tijd. De afbeelding rechts, die een halve seconde beslaat, werd vastgelegd met een stroboscopische flits met 20 flitsen per seconde. Tijdens de eerste ¹ /₂₀ van een seconde laat de bal een afstandseenheid vallen (hier is een eenheid ongeveer 12 mm); door ² / ₂₀ is gedaald ten totaal van 4 eenheden; door ³ / ₂₀ , 9 eenheden enzovoort.

Onder dezelfde aannames van constante zwaartekracht wordt de potentiële energie , E _p , van een lichaam op hoogte h gegeven door E _p = mgh (of E _p = Wh , waarbij W het gewicht betekent). Deze uitdrukking is alleen geldig over kleine afstanden h vanaf het aardoppervlak. Evenzo is de uitdrukking voor de maximale hoogte die wordt bereikt door een verticaal geprojecteerd lichaam met beginsnelheid v alleen bruikbaar voor kleine hoogtes en kleine beginsnelheden.${\ displaystyle h = {\ tfrac {v ^ {2}} {2g}}}$

Zwaartekracht en astronomie

De toepassing van de zwaartekrachtwet van Newton heeft het mogelijk gemaakt om veel van de gedetailleerde informatie die we hebben over de planeten in het zonnestelsel, de massa van de zon en details van quasars te verkrijgen ; zelfs het bestaan ​​van donkere materie wordt afgeleid uit de zwaartekrachtswet van Newton. Hoewel we niet naar alle planeten en ook niet naar de zon zijn gereisd, kennen we hun massa. Deze massa's worden verkregen door de zwaartekrachtwetten toe te passen op de gemeten karakteristieken van de baan. In de ruimte behoudt een object zijn baan vanwege de zwaartekracht die erop inwerkt. Planeten draaien rond sterren, sterren draaien in galactische centra , sterrenstelsels draaien in clusters om een ​​massamiddelpunt en clusters draaien in superclusters​ De zwaartekracht die door een ander op het ene object wordt uitgeoefend, is rechtevenredig met het product van de massa van die objecten en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen hen.

De vroegste zwaartekracht (mogelijk in de vorm van kwantumzwaartekracht, superzwaartekracht of een zwaartekrachtsingulariteit ), samen met gewone ruimte en tijd, ontwikkelde zich tijdens het Planck-tijdperk (tot 10 ⁻⁴³ seconden na de geboorte van het heelal), mogelijk afkomstig van een oeroude toestand (zoals een vals vacuüm , kwantumvacuüm of virtueel deeltje ), op een momenteel onbekende manier. ^[5]

Gravitatiestraling

De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat energie door middel van gravitatiestraling uit een systeem kan worden getransporteerd. Elke versnellende materie kan krommingen in de ruimte-tijdmetriek creëren, en zo wordt de zwaartekrachtstraling weggevoerd van het systeem. In een baan rond bewegende objecten kunnen krommingen in de ruimte-tijd ontstaan, zoals het systeem aarde-zon, paren neutronensterren en paren zwarte gaten. Een ander astrofysisch systeem waarvan wordt voorspeld dat het energie verliest in de vorm van gravitatiestraling, zijn exploderende supernovae.

Het eerste indirecte bewijs voor gravitatiestraling was door metingen van het Hulse-Taylor binair getal in 1973. Dit systeem bestaat uit een pulsar en een neutronenster die in een baan om elkaar heen draaien. De omlooptijd is afgenomen sinds de eerste ontdekking als gevolg van een verlies aan energie, wat consistent is met de hoeveelheid energieverlies als gevolg van gravitatiestraling. Dit onderzoek werd in 1993 bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde.

Het eerste directe bewijs voor gravitatiestraling werd op 14 september 2015 gemeten door de LIGO- detectoren. De zwaartekrachtgolven die werden uitgezonden tijdens de botsing van twee zwarte gaten op 1,3 miljard lichtjaar van de aarde, werden gemeten. ^{[40] [41]} Deze waarneming bevestigt de theoretische voorspellingen van Einstein en anderen dat dergelijke golven bestaan. Het opent ook de weg voor praktische observatie en begrip van de aard van de zwaartekracht en gebeurtenissen in het heelal, inclusief de oerknal. ^{[42] De} vorming van neutronensterren en zwart gat creëert ook detecteerbare hoeveelheden gravitatiestraling. ^[43] Dit onderzoek werd in 2017 bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde. ^[44]

Vanaf 2020 ^[bijwerken]is de zwaartekrachtstraling die door het zonnestelsel wordt uitgezonden veel te klein om met de huidige technologie te meten.

Snelheid van de zwaartekracht

In december 2012 kondigde een onderzoeksteam in China aan dat het metingen had verricht van de fasevertraging van aardgetijden tijdens volle en nieuwe manen, die lijken te bewijzen dat de snelheid van de zwaartekracht gelijk is aan de snelheid van het licht. ^[45] Dit betekent dat als de Zon plotseling zou verdwijnen, de Aarde er normaal 8 minuten omheen zou blijven draaien, wat de tijd is die het licht nodig heeft om die afstand af te leggen. De bevindingen van het team werden in februari 2013 gepubliceerd in het Chinese Science Bulletin ^[46].

In oktober 2017 ontvingen de LIGO- en Virgo-detectoren zwaartekrachtsgolfsignalen binnen 2 seconden van gammastralingsatellieten en optische telescopen die signalen uit dezelfde richting zagen. Dit bevestigde dat de snelheid van zwaartekrachtgolven hetzelfde was als de snelheid van het licht. ^[47]

Afwijkingen en discrepanties

Er zijn enkele waarnemingen die niet voldoende worden verantwoord, die kunnen wijzen op de behoefte aan betere theorieën over zwaartekracht of die misschien op andere manieren kunnen worden uitgelegd.

• Extra snelle sterren : Sterren in sterrenstelsels volgen een snelheidsverdeling waarbij sterren aan de rand sneller bewegen dan ze zouden moeten volgens de waargenomen verdelingen van normale materie. Sterrenstelsels in clusters van sterrenstelsels vertonen een soortgelijk patroon. Donkere materie , die zou interageren via zwaartekracht maar niet elektromagnetisch, zou de discrepantie verklaren. Er zijn ook verschillende aanpassingen aan de Newtoniaanse dynamica voorgesteld.
• Flyby-anomalie : verschillende ruimtevaartuigen hebben een grotere versnelling ervaren dan verwacht tijdens zwaartekrachtmanoeuvres .
• Versnellende uitbreiding : de metrische uitbreiding van de ruimte lijkt te versnellen. Er is donkere energie voorgesteld om dit te verklaren. Een recente alternatieve verklaring is dat de geometrie van de ruimte niet homogeen is (vanwege clusters van sterrenstelsels) en dat wanneer de gegevens opnieuw worden geïnterpreteerd om hiermee rekening te houden, de expansie toch niet versnelt ^[48], maar deze conclusie wordt betwist. . ^[49]
• Abnormale toename van de astronomische eenheid : recente metingen geven aan dat de banen van de planeet sneller verwijden dan wanneer dit alleen zou gebeuren doordat de zon massa verliest door energie uit te stralen.
• Extra energetische fotonen : fotonen die door clusters van sterrenstelsels reizen, zouden energie moeten krijgen en deze vervolgens weer verliezen op weg naar buiten. De versnellende uitdijing van het heelal zou moeten voorkomen dat de fotonen alle energie teruggeven, maar zelfs als we hiermee rekening houden, krijgen fotonen van de kosmische microgolf-achtergrondstraling twee keer zoveel energie als verwacht. Dit kan erop duiden dat de zwaartekracht op bepaalde afstandsschalen sneller afneemt dan omgekeerd kwadraat. ^[50]
• Extra massieve waterstofwolken : de spectraallijnen van het Lyman-alpha-bos suggereren dat waterstofwolken op bepaalde schalen meer samengeklonterd zijn dan verwacht en, net als donkere stroming , erop kunnen wijzen dat de zwaartekracht langzamer wegvalt dan omgekeerd kwadraat op bepaalde afstandsschalen. ^[50]

Alternatieve theorieën

Historische alternatieve theorieën

• Aristotelische zwaartekrachttheorie
• Le Sage's gravitatietheorie (1784), ook wel LeSage-zwaartekracht genoemd, voorgesteld door Georges-Louis Le Sage , gebaseerd op een op vloeistof gebaseerde verklaring waarbij een licht gas het hele universum vult.
• Ritz 'zwaartekrachttheorie , Ann. Chem. Phys. 13, 145, (1908) blz. 267-271, Weber-Gauss elektrodynamica toegepast op gravitatie. Klassieke vooruitgang van perihelia.
• Nordströms theorie van de zwaartekracht (1912, 1913), een vroege concurrent van de algemene relativiteitstheorie.
• Kaluza Klein theorie (1921)
• Whitehead's theorie van de zwaartekracht (1922), een andere vroege concurrent van de algemene relativiteitstheorie.

Moderne alternatieve theorieën

• Brans-Dicke zwaartekrachttheorie (1961) ^[51]
• Induced gravity (1967), een voorstel van Andrei Sacharov volgens welke de algemene relativiteitstheorie zou kunnen voortkomen uit kwantumveldentheorieën over materie
• Snaartheorie (eind jaren zestig)
• ƒ (R) zwaartekracht (1970)
• Horndeski-theorie (1974) ^[52]
• Superzwaartekracht (1976)
• In de gemodificeerde Newtoniaanse dynamica (MOND) (1981) stelt Mordehai Milgrom een wijziging voor van Newtons tweede bewegingswet voor kleine versnellingen ^[53]
• De zelf-scheppende kosmologietheorie van de zwaartekracht (1982) door GA Barber waarin de Brans-Dicke-theorie is aangepast om massacreatie mogelijk te maken
• Loop kwantumzwaartekracht (1988) door Carlo Rovelli , Lee Smolin en Abhay Ashtekar
• Niet-symmetrische gravitatietheorie (NGT) (1994) door John Moffat
• Tensor-vector-scalaire zwaartekracht (TeVeS) (2004), een relativistische modificatie van MOND door Jacob Bekenstein
• Kameleontheorie (2004) door Justin Khoury en Amanda Weltman .
• Pressuron theory (2013) door Olivier Minazzoli en Aurélien Hees .
• Conforme zwaartekracht ^[54]
• Zwaartekracht als entropische kracht , zwaartekracht ontstaat als een verschijnsel uit het thermodynamische concept van entropie.
• In de superfluïde vacuum theorie de zwaarte en gebogen ruimtetijd ontstaan als collectieve excitatie wijze van niet-relativistische achtergrond superfluïde .
• Enorme zwaartekracht , een theorie waarbij gravitonen en zwaartekrachtgolven een massa hebben die niet nul is

Zie ook

Voetnoten

Referenties

Verder lezen

• Thorne, Kip S .; Misner, Charles W .; Wheeler, John Archibald (1973). Zwaartekracht . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0​
• Panek, Richard (2 augustus 2019). "Alles wat je dacht te weten over de zwaartekracht is verkeerd" . Washington Post .

Externe links

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