Schwere

Obwohl die Schwerkraft die schwächste Wechselwirkung zwischen Objekten im Universum ist, ist ihre Bedeutung in der Physik und Astronomie enorm, da sie in der Lage ist, physikalische Objekte in jeder Entfernung im Weltraum zu beeinflussen.

Wenn Sie sich für Astronomie interessieren, haben Sie wahrscheinlich über die Frage nachgedacht, was ein solches Konzept wie Schwerkraft oder das Gesetz der universellen Gravitation ist. Die Schwerkraft ist eine universelle grundlegende Wechselwirkung zwischen allen Objekten im Universum.

Die Entdeckung des Gravitationsgesetzes wird dem berühmten englischen Physiker Isaac Newton zugeschrieben. Wahrscheinlich kennen viele von Ihnen die Geschichte eines Apfels, der einem berühmten Wissenschaftler auf den Kopf fiel. Wenn Sie jedoch tief in die Geschichte blicken, können Sie sehen, dass Philosophen und Wissenschaftler der Antike, zum Beispiel Epikur, lange vor seiner Ära über das Vorhandensein der Schwerkraft nachgedacht haben. Dennoch war es Newton, der als erster die Gravitationswechselwirkung zwischen physischen Körpern im Rahmen der klassischen Mechanik beschrieb. Seine Theorie wurde von einem anderen berühmten Wissenschaftler entwickelt - Albert Einstein, der in seiner allgemeinen Relativitätstheorie den Einfluss der Schwerkraft im Weltraum sowie ihre Rolle im Raum-Zeit-Kontinuum genauer beschrieb.

Das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass die Anziehungskraft zwischen zwei Massenpunkten, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind, umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands und direkt proportional zu beiden Massen ist. Die Schwerkraft ist weitreichend. Das heißt, unabhängig davon, wie sich ein Körper mit Masse bewegt, hängt sein Gravitationspotential in der klassischen Mechanik ausschließlich von der Position dieses Objekts zu einem bestimmten Zeitpunkt ab. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto größer ist sein Gravitationsfeld – desto stärker ist die Gravitationskraft, die es hat. Solche kosmischen Objekte wie Galaxien, Sterne und Planeten haben die größte Anziehungskraft und dementsprechend ziemlich starke Gravitationsfelder.

Schwerkraftfelder

Gravitationsfeld der Erde

Das Gravitationsfeld ist der Abstand, innerhalb dessen die Gravitationswechselwirkung zwischen Objekten im Universum stattfindet. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto stärker ist sein Gravitationsfeld – desto deutlicher ist sein Einfluss auf andere physische Körper innerhalb eines bestimmten Raums. Das Gravitationsfeld eines Objekts ist potentiell. Die Essenz der vorherigen Aussage ist, dass, wenn wir die potentielle Anziehungsenergie zwischen zwei Körpern einführen, sie sich nicht ändert, nachdem sich letztere entlang einer geschlossenen Kontur bewegt haben. Daraus ergibt sich ein weiterer berühmter Erhaltungssatz der Summe aus potentieller und kinetischer Energie in einem geschlossenen Kreislauf.

In der materiellen Welt ist das Gravitationsfeld von großer Bedeutung. Es wird von allen materiellen Objekten im Universum besessen, die Masse haben. Das Gravitationsfeld kann nicht nur Materie, sondern auch Energie beeinflussen. Durch den Einfluss der Gravitationsfelder von so großen Weltraumobjekten wie Schwarzen Löchern, Quasaren und supermassereichen Sternen entstehen Sonnensysteme, Galaxien und andere astronomische Haufen, die sich durch eine logische Struktur auszeichnen.

Neueste wissenschaftliche Daten zeigen, dass der berühmte Effekt der Expansion des Universums auch auf den Gesetzen der gravitativen Wechselwirkung beruht. Insbesondere die Expansion des Universums wird durch starke Gravitationsfelder erleichtert, sowohl kleine als auch seine größten Objekte.

Gravitationsstrahlung in einem binären System

Gravitationsstrahlung oder Gravitationswelle ist ein Begriff, der erstmals von dem berühmten Wissenschaftler Albert Einstein in die Physik und Kosmologie eingeführt wurde. Gravitationsstrahlung in der Gravitationstheorie wird durch die Bewegung materieller Objekte mit variabler Beschleunigung erzeugt. Bei der Beschleunigung des Objekts „bricht“ die Gravitationswelle gewissermaßen davon ab, was zu Schwankungen des Gravitationsfeldes im umgebenden Raum führt. Dies wird als Gravitationswelleneffekt bezeichnet.

Obwohl Gravitationswellen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie sowie anderen Gravitationstheorien vorhergesagt werden, wurden sie nie direkt nachgewiesen. Dies liegt vor allem an ihrer extremen Kleinheit. Es gibt jedoch Indizien in der Astronomie, die diesen Effekt bestätigen können. So lässt sich am Beispiel der Annäherung von Doppelsternen die Wirkung einer Gravitationswelle beobachten. Beobachtungen bestätigen, dass die Annäherungsgeschwindigkeit von Doppelsternen in gewissem Maße vom Energieverlust dieser Weltraumobjekte abhängt, der vermutlich für Gravitationsstrahlung aufgewendet wird. Mit Hilfe einer neuen Generation von Advanced LIGO- und VIRGO-Teleskopen werden Wissenschaftler diese Hypothese in naher Zukunft zuverlässig bestätigen können.

In der modernen Physik gibt es zwei Konzepte der Mechanik: klassische und Quantenmechanik. Die Quantenmechanik wurde erst vor relativ kurzer Zeit entwickelt und unterscheidet sich grundlegend von der klassischen Mechanik. In der Quantenmechanik haben Objekte (Quanten) keine bestimmten Orte und Geschwindigkeiten, hier basiert alles auf Wahrscheinlichkeit. Das heißt, ein Objekt kann zu einem bestimmten Zeitpunkt einen bestimmten Platz im Raum einnehmen. Wohin er sich als nächstes bewegen wird, lässt sich nicht zuverlässig bestimmen, sondern nur mit hoher Wahrscheinlichkeit.

Ein interessanter Effekt der Schwerkraft ist, dass sie das Raum-Zeit-Kontinuum krümmen kann. Einsteins Theorie besagt, dass im Raum um ein Energiebündel oder eine beliebige materielle Substanz herum die Raumzeit gekrümmt ist. Dementsprechend ändert sich die Flugbahn von Partikeln, die unter den Einfluss des Gravitationsfeldes dieser Substanz fallen, was es ermöglicht, die Flugbahn ihrer Bewegung mit hoher Wahrscheinlichkeit vorherzusagen.

Theorien der Schwerkraft

Heute kennen Wissenschaftler über ein Dutzend verschiedener Gravitationstheorien. Sie werden in klassische und alternative Theorien unterteilt. Der berühmteste Vertreter der ersteren ist die klassische Gravitationstheorie von Isaac Newton, die der berühmte britische Physiker bereits 1666 erfunden hat. Sein Wesen liegt darin, dass ein massiver Körper in der Mechanik ein Gravitationsfeld um sich herum erzeugt, das kleinere Objekte an sich zieht. Letztere haben wiederum ein Gravitationsfeld, wie alle anderen materiellen Objekte im Universum.

Die nächste populäre Gravitationstheorie wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von dem weltberühmten deutschen Wissenschaftler Albert Einstein erfunden. Einstein gelang es, die Schwerkraft als Phänomen genauer zu beschreiben und ihre Wirkung nicht nur in der klassischen Mechanik, sondern auch in der Quantenwelt zu erklären. Seine allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Fähigkeit einer solchen Kraft wie der Schwerkraft, das Raum-Zeit-Kontinuum sowie die Flugbahn von Elementarteilchen im Raum zu beeinflussen.

Unter den alternativen Gravitationstheorien verdient vielleicht die relativistische Theorie die meiste Aufmerksamkeit, die von unserem Landsmann, dem berühmten Physiker A.A. Logunow. Im Gegensatz zu Einstein argumentierte Logunov, dass die Schwerkraft kein geometrisches, sondern ein reales, ziemlich starkes physikalisches Kraftfeld ist. Unter den alternativen Gravitationstheorien sind auch skalare, bimetrische, quasi-lineare und andere bekannt.

1. Für Menschen, die im Weltraum waren und zur Erde zurückgekehrt sind, ist es zunächst ziemlich schwierig, sich an die Kraft der Gravitation unseres Planeten zu gewöhnen. Manchmal dauert es mehrere Wochen.
2. Es ist erwiesen, dass der menschliche Körper im Zustand der Schwerelosigkeit bis zu 1 % der Knochenmarkmasse pro Monat verlieren kann.
3. Unter den Planeten hat Mars die geringste Anziehungskraft im Sonnensystem und Jupiter die größte.
4. Die bekannten Salmonellenbakterien, die Verursacher von Darmerkrankungen sind, verhalten sich im Zustand der Schwerelosigkeit aktiver und können dem menschlichen Körper viel mehr Schaden zufügen.
5. Unter allen bekannten astronomischen Objekten im Universum haben Schwarze Löcher die größte Gravitationskraft. Ein schwarzes Loch von der Größe eines Golfballs könnte die gleiche Gravitationskraft haben wie unser gesamter Planet.
6. Die Schwerkraft auf der Erde ist nicht in allen Ecken unseres Planeten gleich. In der Region Hudson Bay in Kanada ist sie beispielsweise niedriger als in anderen Regionen der Welt.