gravitation

Gravitation er den gensidige tiltrækning mellem genstande. Gravitation kaldes også tyngdekraft.

Gravitationen virker mellem alle legemer og er en af de fire fundamentale kræfter, der indtil nu er observeret i naturen. De tre øvrige er hhv. de stærke og de svage kernekræfter samt den elektromagnetiske kraft (Coulombkraften). Gravitationen adskiller sig fra de andre kræfter ved, at den virker på alle partikler i Universet, samt ved, at den under normale omstændigheder altid vil være en tiltrækningskraft.

Over astronomiske afstande er gravitationen den dominerende vekselvirkning på trods af, at fx den elektromagnetiske kraft mellem to elektroner eller to protoner er langt større end deres gravitationelle tiltrækning. Udbalanceringen af positive og negative elektriske ladninger er imidlertid så præcis, at de elektriske kræfter ophæver hinanden over store afstande.

Gravitationen mellem to legemer afhænger kun af deres masser og afstanden mellem dem. Loven om denne sammenhæng, gravitations- eller tyngdeloven, blev formuleret i 1666 af Isaac Newton. Betegnes de to legemers masser med M₁ og M₂ og den indbyrdes afstand med R, er gravitationskraften F mellem dem: \(F=G\frac{M_1M_2}{R^2},\) hvor G er en naturkonstant, der kaldes Newtons konstant eller gravitationskonstanten. Den blev først målt i 1798 af Henry Cavendish. Dens værdi er 6,67∙10^-11m³/(s²kg).

Gravitationsloven gav en forståelse af Jordens tyngdefelt, idet et legeme ved Jordens overflade ifølge loven vil tiltrækkes mod alle de partikler, som tilsammen udgør jordkloden. Summen af disse kræfter vil være rettet mod Jordens centrum og give et fritfaldende legeme en acceleration på ca. 9,81 m/s². Yderligere forklarede gravitationsloven (sammen med Newtons 2. lov) Keplers tre love for planeternes bevægelse om Solen. Gravitationsloven skabte dermed grundlaget for vor forståelse af Solsystemets dynamik.

I 1916 fremsatte Albert Einstein den almene relativitetsteori, der for svage og langsomt varierende tyngdekræfter stemmer overens med Newtons gravitationslov. Einsteins teori betød en total revision af vor opfattelse af rum og tid. Einstein opfattede tiden som en fjerde dimension, der i mange henseender har samme status som de tre rumdimensioner. Ifølge Einsteins ligninger vil tilstedeværelsen af stof eller energi medføre en ændring af tiden og en deformation af det omkringliggende rum karakteriseret som en krumning. Gravitationskonstanten udtrykker i Einsteins ligninger den styrke, hvormed stof eller energi krummer rum-tiden. Et legeme, der ikke påvirkes af andre ydre kræfter end gravitationen, vil "falde" frit i denne rum-tid og ikke mærke gravitationen. Et rumskib, der kredser om Jorden, er et eksempel på et legeme, der "falder" frit, og passagererne om bord på rumskibet vil således ikke mærke Jordens tiltrækning: De vil være "vægtløse". Ifølge Einsteins teori mærker vi udelukkende en tyngdekraft på Jordens overflade, fordi vi pga. påvirkning fra andre kræfter af ikke-gravitationel natur forhindres i at falde frit mod Jordens centrum. På samme måde er de kræfter, der påvirker os under acceleration af en bil, et udtryk for, at ydre kræfter, bl.a. fra bilens sæde, tvinger os frem eller rundt i en kurve og dermed forhindrer os i at "falde" frit i rum-tiden. Under acceleration påvirkes vi derfor af kræfter, som er af samme natur som tyngdekraften ved Jordens overflade. Dette kaldes Einsteins ækvivalensprincip, og det forklarer, hvorfor den træge (inertielle) masse, som optræder i Newtons 2. lov for alle typer af kræfter, er den samme som den gravitationelle masse, der optræder i Newtons tyngdelov.

Afvigelserne fra Newtons gravitationslov er små i vort solsystem, og de kan forklares af Einsteins almene relativitetsteori. Ifølge Newtons love bevæger planeterne sig i ellipser om Solen. Einsteins ligninger forudsiger, at ellipsernes akser vil rotere langsomt om Solen. Det er observeret for den inderste planet, Merkur, hvor effekten er størst. Endvidere forudsiger Einsteins ligninger, at elektromagnetiske bølger afbøjes af Solens tyngdefelt, en effekt, der er verificeret med stor nøjagtighed i radio- og mikrobølgeområdet. Ifølge ækvivalensprincippet vil lys, der udsendes fra Solens eller Jordens overflade, miste energi, når det bevæger sig væk. Også for denne effekt er der god overensstemmelse mellem teori og eksperimenter.

Hvis de gravitationelle kræfter er stærke, eller de betragtede afstande er af kosmologisk størrelse, afviger den almene relativitetsteori fra Newtons teori. Einsteins ligninger forudsiger, at der kan forekomme så stærke tyngdefelter, at lyset ikke kan undslippe; det er de såkaldte sorte huller. Endvidere forklarer teorien, at fjerne galakser bevæger sig væk fra os med hastigheder, der vokser med afstanden (se Hubbles lov). Det er i overensstemmelse med den observerede rødforskydning af det lys, vi modtager fra fjerne galakser.