Wir erleben Schwerkraft jeden einzelnen lebendigen Moment unseres Lebens, ohne jemals wirklich darüber nachzudenken. Aber was ist es, und verstehen wir es gründlich?
Hier untersuchen wir kurz unser gegenwärtiges Verständnis der Schwerkraft und untersuchen, ob wir es jemals künstlich im Weltraum erschaffen könnten.
Wie funktioniert die Schwerkraft auf der Erde?
„Was hoch geht, muss runter kommen,“ wie das berühmte Sprichwort sagt. Aber warum? Was ist los und was verursacht die Schwerkraft?,
Obwohl wir erst wirklich begonnen haben zu verstehen, was es ist, wurde über das Phänomen seit Jahrtausenden nachgedacht.
Griechische Philosophen zum Beispiel dachten einst, dass die Planeten und Sterne Teile des Reiches der Götter seien. Nach ihrer Einschätzung waren sie dem ausgesetzt, was sie „natürliche Bewegung“nannten.
Obwohl sie das Konzept nicht viel darüber hinaus entwickelten, blieb ihre Erklärung im westlichen Denken bis zur Arbeit von Galileo und Brahe im 16.,
Ihre Arbeit würde dazu beitragen, eine Revolution in unserem Verständnis der Schwerkraft auszulösen und die Arbeit von Isaac Newton tiefgreifend zu beeinflussen.
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die Schwerkraft, als Newton postulierte, ist die Kraft, die hält die Erde im orbit um die Sonne. Wie Sie sich vielleicht aus Ihren Schultagen erinnern, wird die Schwerkraft tendenziell definiert als:
“ Die Kraft, mit der ein Planet oder ein anderer Körper Objekte in Richtung seines Zentrums zieht. Die Schwerkraft hält alle Planeten im Orbit um die Sonne.“ – NASA.,
Mit anderen Worten, alles mit Masse übt eine Kraft auf etwas anderes mit Masse aus und hat eine Kraft auf sie ausgeübt. Je größer die Masse der Objekte und je kürzer der Abstand zwischen ihnen ist, desto stärker ist der Zug der Gravitationskräfte, die sie aufeinander ausüben.
Wenn Sie in die Luft springen, versehentlich etwas von einem Tisch klopfen oder einen Ball in den Park werfen, damit Ihr Hund fangen kann, kennen Sie intuitiv die Konsequenzen Ihrer Handlungen., Sie alle kehren schließlich zu Boden zurück.
Einstein würde später eine ganz andere Erklärung als Newton für die Schwerkraft liefern. Nach seinen Theorien ist die Schwerkraft ein Ergebnis der Krümmung in der Raumzeit. Die Masse eines Objekts bewirkt, dass sich der Raum um ihn herum im Wesentlichen verbiegt und krümmt. Dies verzerrt den Weg, den Objekte (und Licht) durchlaufen müssen, und erzeugt den Effekt, den wir Schwerkraft nennen.
Tatsächlich wird jedes Objekt, das in der Schwerkraft eines anderen Himmelskörpers „gefangen“ wird, beeinflusst, da der Raum, durch den es sich bewegt, zu diesem Objekt hin gekrümmt ist.,
Einstein führte auch das Konzept des „Äquivalenzprinzips“ ein.“Dies besagt, dass Gravitations-und Trägheitskräfte ähnlicher Natur und oft nicht zu unterscheiden sind.
Um dies zu veranschaulichen, stellen Sie sich vor, Sie befänden sich in einem Raketenschiff ohne Fenster und könnten das äußere Universum nicht aus Ihrer Umgebung betrachten. In diesem Fall wäre es unmöglich zu sagen, ob die Abwärtskraft, die Sie als Schwerkraft empfinden, eine echte Kraft oder die Folge der Beschleunigung der Rakete in eine bestimmte Richtung ist.
Schwerkraft verstehen
Verstehen wir die Schwerkraft vollständig?, Einfach gesagt, ja und auch nein. Obwohl es eines der am weitesten untersuchten Naturphänomene im Universum ist, verstehen wir es immer noch nicht wirklich.
Wie wir gesehen haben, haben Isaac Newton und Einstein bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Schwerkraft gemacht, aber wir sind uns immer noch nicht ganz sicher, was es ist oder ob es überhaupt eine Sache ist.
Nach Einstein ist die Schwerkraft eher eine Folge der Biegung der Raumzeit als eine wahre Kraft für sich.
Was wir wissen, ist, dass Körper mit Masse zueinander hingezogen werden., Diese „Kraft“ ist abstandsabhängig und schwächt je weiter die Körper entfernt sind.
Es ist auch ein messbares Phänomen und eine der schwächsten Kräfte in der Natur. Denken Sie zum Beispiel an Ihren durchschnittlichen Kühlschrankmagneten. Diese sind leicht in der Lage, dem Zug der Schwerkraft von etwas so Massivem wie der Erde zu trotzen. Sie können auch den Auswirkungen der Schwerkraft entkommen, wenn auch vorübergehend, indem Sie einfach springen.
Aber diese Beziehung scheint auf der Quantenebene vollständig zusammenzubrechen. Es scheint einfach nicht zu passen, und wir wissen nicht, warum.,
Im großen Maßstab sind unsere aktuellen Theorien der Schwerkraft ziemlich nützlich, um das Verhalten großer Objekte vorherzusagen, aber auf der winzigen Quantenskala von Teenie funktionieren die aktuellen Theorien der Schwerkraft nicht.
Dies ist eines der größten Probleme in der heutigen Physik. Viele Physiker hoffen, eines Tages eine einheitliche Theorie der Makro-und Quantenphysik zu schaffen, die erklären wird, was los ist.
Wie hilft uns die Schwerkraft?,
Die Schwerkraft ist eine der fundamentalsten Kräfte im Universum. Argumente darüber, wie es funktioniert beiseite, was auch immer Schwerkraft ist, es ist ein sehr wichtiges Element für das Leben auf unserem Planeten.
Die Schwerkraft ist der Grund, warum Objekte auf der Erde Gewicht haben und nicht einfach in den Weltraum schweben. Wenn Sie auf einem Planeten mit weniger Masse leben würden, würden Sie weniger wiegen und viel höher springen können.
Die Schwerkraft hält die Erde auch in der sogenannten „Goldlöckchen-Zone“ – der Entfernung von unserer Sonne, in der Wasser in flüssiger Form existieren kann. Das ist einfach so lebenswichtig.,
Die Schwerkraft hilft auch, die Erdatmosphäre an Ort und Stelle zu halten und uns Luft zum Atmen zu geben. Mars zum Beispiel ist weniger als die Hälfte der Größe der Erde und etwa ein Zehntel der Masse der Erde. Weniger Masse bedeutet weniger Gravitationskraft, und tatsächlich ist die Atmosphäre des Mars nur etwa 1/100 so dicht wie die der Erde.
Die Schwerkraft spielt auch eine Rolle dabei, unseren Planeten zusammenzuhalten. Die Schwerkraft ist auch das, was den Mond im Orbit um die Erde hält. Der Gravitationszug des Mondes zieht die Meere auf sich zu und verursacht die Gezeiten des Ozeans.,
Aber interessanterweise ist die Stärke der Schwerkraft nicht an allen Orten der Erde gleich. Es ist etwas stärker über Orte mit viel mehr Masse unter der Erde als über Orte mit weniger Masse.
Wir wissen das wegen zweier NASA-Raumfahrzeuge und ihrer Mission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE).
Laut NASA erkennt die GRACE-Mission “ winzige Veränderungen der Schwerkraft im Laufe der Zeit. Diese Veränderungen haben wichtige Details über unseren Planeten offenbart., GRACE überwacht beispielsweise Veränderungen des Meeresspiegels und kann durch Erdbeben verursachte Veränderungen in der Erdkruste erkennen.“
Kann die Schwerkraft erzeugt werden?
Wie wir bereits gesehen haben, schlug Einstein vor, dass die Schwerkraft tatsächlich eine Folge der Verzerrung der Raumzeit ist, die durch verschiedene Körper verursacht wird. Aus diesem Grund sollte es möglich sein, künstliche Schwerkraft zu entwickeln, zumindest in der Leere des Raumes.
Was benötigt wird, ist ein Mittel zur Beschleunigung in eine Richtung, das laut Einstein einen der Schwerkraft ähnlichen Effekt erzeugen sollte., Dies kann durch lineare Beschleunigung wie eine Rakete oder durch Drehimpuls, d. H. Zentripetaleffekt oder Beschleunigung, erfolgen.
Dies ist ein häufiges Thema in vielen Science-Fiction-Büchern und-Filmen. Denken Sie an das rotierende Raumschiff im Jahr 2001: Eine Weltraum-Odyssee, zum Beispiel.
Solange das Schiff groß genug ist, sollte es in der Lage sein, eine Kraft auf seine Insassen zu erzeugen, die von der Schwerkraft auf der Erde fast nicht zu unterscheiden ist., Es wäre jedoch nicht genau dasselbe, da auch große Corioliskräfte vorhanden wären und die Dinge in Kurven anstelle von Geraden fallen würden.
Dies hat auch einige inhärente Probleme. Je schneller etwas beschleunigt, desto größer ist der Gravitationszug oder die g-Kräfte auf die Insassen.
Dies ist kein Problem für stationäre Schiffe wie eine Raumstation, aber für Schiffe, die lange Strecken mit hoher Beschleunigung zurücklegen müssten, könnte es sich für die Besatzung als katastrophal erweisen.,
Wenn das Schiff nur mit einem kleinen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fahren würde, würde die Besatzung wahrscheinlich etwas mehr als 4,000 gs erleben. Das heißt, laut einem Artikel in Forbes, mehr als 100 mal die Beschleunigung benötigt, um den Blutfluss in Ihrem Körper zu verhindern – – wahrscheinlich nicht ideal.
Es wurde angenommen, dass dies durch die Verwendung von Elektromagneten und leitfähigen „Böden“ in Schiffen erreicht werden kann, aber Sie hätten immer noch das Problem einer „abwärts gerichteten“ Kraft. Es gibt wahrscheinlich keine Möglichkeit, die Besatzung bei hohen Geschwindigkeiten im Weltraum vor den Auswirkungen der Schwerkraft zu“ schützen“.,
Die einzige Möglichkeit, in Zukunft damit umzugehen, könnte darin bestehen, eine Form von negativem oder Anti-Gravitationsfeld zu entwickeln. Wie alle Materie haben wir jedoch zumindest eine positive Masse, daher bräuchten wir einen Weg, um eine negative Gravitationsmasse zu erzeugen.
Genau daran wird im ALPHA-Experiment am CERN gearbeitet. Forscher arbeiten dort mit eingeschlossenen Antihydrogenatomen, dem Antimaterie-Gegenstück von Wasserstoff.,
Durch genaue Vergleiche von Wasserstoff und Antihydrogen hofft das Experiment, grundlegende Symmetrien zwischen Materie und Antimaterie zu untersuchen. Letztendlich könnte dies zur Messung der Gravitationsbeschleunigung von Antimaterie führen.
Wenn festgestellt wird, dass Antimaterie in Gegenwart des Gravitationsfeldes auf der Erdoberfläche bei einem negativen Wert (z. B. einem anderen Wert als +9.8 m/s2) beschleunigt, würde dies theoretisch die Konstruktion eines Gravitationsleiters ermöglichen, um uns von der Gravitationskraft abzuschirmen.,
Laut Forbes: „Wenn es empfindlich genug wird, könnten wir messen, auf welche Weise es in ein Gravitationsfeld fällt. Wenn es herunterfällt, wie normale Materie, dann hat es eine positive Gravitationsmasse, und wir können es nicht verwenden, um einen Gravitationsleiter zu bauen. Aber wenn es in ein Gravitationsfeld fällt, ändert das alles. Mit einem einzigen experimentellen Ergebnis würde die künstliche Schwerkraft plötzlich zu einer physischen Möglichkeit werden.“
Bei Erfolg könnte dies auch die Tür für einen Gravitationskondensator öffnen, um ein einheitliches künstliches Schwerefeld zu erzeugen., Theoretisch könnte es sogar die Schaffung eines „Warpantriebs“ ermöglichen – eine Möglichkeit, die Raumzeit zu verformen.
Bis wir jedoch ein Teilchen oder eine Gruppe von Teilchen mit negativer Gravitationsmasse entdecken können, ist die künstliche Schwerkraft nur durch mechanische Mittel wie Beschleunigung usw. möglich.
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