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Fragen Sie Ethan Nr. 11: Warum nimmt die Schwerkraft mit der Entfernung ab?

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Ein exotisches Objekt, bestehend aus einem kleinen schweren Stern, der sich mit einer Geschwindigkeit von 25 Mal pro Sekunde dreht und um den sich ein weißer Zwerg mit einer Zeitspanne von zweieinhalb Stunden dreht (nach Ansicht des Künstlers). Dies ist ein Pulsar PSR J0348 + 0432, der Gravitationswellen aussendet. Und obwohl sie nicht direkt von der Erde aus gemessen werden können, ist es möglich, Änderungen in der Umlaufbahn zu messen, die mit dem Energieverlust des Systems verbunden sind.

Ich würde keine Raumzeit oder einen Fehler im Kern der Teleportation erkennen, selbst wenn sie in mein Bett krochen.
- Patrick Stewart

Der Leser fragt:
Warum nimmt die Schwerkraft mit der Entfernung vom Objekt ab? Ich habe gelesen, dass es nach dem Gesetz der inversen Quadrate abnimmt, aber ohne Erklärung warum.

Die Frage ist einfach, aber eine gründliche Antwort ist erforderlich.

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Physik und Wissenschaft als Ganzes beschäftigen sich normalerweise nicht mit der Frage nach dem Warum im Zusammenhang mit Naturphänomenen - normalerweise wird nur das Wie untersucht. Geben Sie eine Theorie, eine Reihe von Gesetzen und physikalische Objekte mit bestimmten Eigenschaften an - und die Wissenschaft wird Ihnen sagen, wie sie sich innerhalb der Theorie verhalten werden. So ist es auch mit der Schwerkraft.

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Seit Jahrhunderten ist die Newtonsche Schwerkraft die erfolgreichste Theorie, die Kräfte beschreibt, die in großem Maßstab wirken. Sie sagte, dass alle Objekte des Universums, die Masse haben, alle anderen massiven Objekte anziehen. Und die Anziehungskraft ist proportional zur Masse beider Objekte und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen.



Dieses Gesetz ist auf modernen Computern ziemlich einfach zu berechnen, und die Übereinstimmung der Theorie mit den Beobachtungen ist ausgezeichnet.

Aber können Sie etwas Kluges darüber sagen, warum die Schwerkraft so funktioniert? Betrachten Sie unsere nächsten Weltraumnachbarn.

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Um die Sonne, die größte Masse in unserem System, fliegen alle anderen Objekte, von Planeten über Asteroiden bis hin zu Kometen, in Kreisen und Ellipsen. Interessanterweise sind Kreise und Ellipsen stabile geschlossene Umlaufbahnen - diese Objekte kehren jedes Mal nach einer Zeitspanne, die wir das Jahr nennen, zum gleichen Punkt zurück.

Dies ist aus mathematischer Sicht durchaus interessant. Kräfte sind Vektoren, sie haben Größe und Richtung. Im Sonnensystem sind die auf Objekte einwirkenden Kräfte auf das Sonnenzentrum gerichtet. Wenn Sie etwas brauchen, um in einer geschlossenen Umlaufbahn um die Sonne zu fliegen, haben Sie nur zwei Möglichkeiten.

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Entweder benötigen Sie eine Kraft, die dem Gesetz der umgekehrten Quadrate (Schwerkraft) folgt, oder eine Kraft, die linear mit der Entfernung zunimmt (Feder). Es gibt einen Satz, der beweist, dass es neben diesen beiden Möglichkeiten keine anderen gibt.

Daher kann es mit der Entfernung zunehmen oder abnehmen, aber nur auf eine Weise, da wir sonst keine stabilen geschlossenen Umlaufbahnen haben.

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Und da genau solche Umlaufbahnen für stabile und gemäßigte Temperaturen benötigt werden, bei denen Leben existieren kann, haben wir wirklich Glück, dass das Universum nach solchen Gesetzen arbeitet.

Es gibt Kräfte, die mit der Entfernung zunehmen - zum Beispiel starke Interaktion. Es gibt sogar ein Beispiel für eine Kraft, die keine Richtung hat und konstant ist - dunkle Energie.

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Aber das Gesetz der inversen Quadrate ist nicht alles, was über die Schwerkraft gesagt werden kann. Da es in unserem System eine offene Umlaufbahn gibt, müssen wir außerdem die Newtonsche Schwerkraft durch eine neuere allgemeine Relativitätstheorie ersetzen.



Die Umlaufbahn des Merkur erfährt eine Präzession und schließt sich nicht selbst ein. Dies war die erste Glocke, die über die Unvollkommenheit der Newtonschen Theorie berichtete. Ein halbes Jahrhundert wurde für die Lösung dieses Problems und die Entstehung von GR aufgewendet. Und wir haben erkannt, dass die Schwerkraft nicht genau dem Gesetz der inversen Quadrate folgt - dies ist nur eine Annäherung, die für große Entfernungen und kleine Massen und Energien gilt.

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Wir haben eine Reihe neuer Vorhersagen, die durch Experimente bestätigt wurden, darunter die Gravitationslinse von Licht, andere Mechanismen zur Umlaufbahn massiver Körper in kurzen Entfernungen, die Gravitationsrotverschiebung und vieles mehr.

Die Hauptschlussfolgerung war jedoch, dass Körper, die sich streng genommen in Umlaufbahnen bewegen, nicht dem Gesetz der inversen Quadrate gehorchen.

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Alle Bahnen werden gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie aus Kräften geboren, die etwas stärker sind als das Gesetz der inversen Quadrate, sodass sie mit der Zeit abnehmen. Die inneren Planeten verlassen als erste ihre Umlaufbahnen, gefolgt von weiter entfernten Welten, da die Entfernung zu ihnen größer ist. Am Ende wird ohne andere Kräfte alles spiralförmig zum Schwerpunkt des Systems gelangen.
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Wenn sich die Erde um die endlos lebende Sonne drehen würde, würde es 10 150 Jahre dauern, bis die Umlaufbahn vollständig ausgeblendet ist. Wirklich stabile und geschlossene Bahnen im Universum existieren einfach nicht.

Zumindest nach GTR - die beste Theorie, die derzeit die Schwerkraft beschreibt. Für kleine Massen und große Entfernungen degeneriert es in die klassische Newtonsche Theorie.

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Aber warum kontrolliert die GTR die Schwerkraft im Universum genau so? Niemand kann sicher sagen.

Deshalb muss man sich mit der Standardantwort zufrieden geben: Die Schwerkraft funktioniert so, weil die Naturgesetze so angeordnet sind. Es ist möglich, sich das Universum mit anderen Gesetzen vorzustellen - aber wir haben ein solches und wir verstehen nicht wirklich, warum die Gesetze so angeordnet sind. Wir können Beobachtungen machen, Gesetze ableiten, sie überprüfen - und vielleicht werden wir eines Tages verstehen, warum sie so sind.

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