Clever Geek Handbook

Tanyakan Ethan No. 11: Mengapa gravitasi berkurang dengan jarak?

gambar
Objek eksotis, terdiri dari bintang kecil yang berat yang berputar dengan kecepatan 25 kali per detik, di sekelilingnya bintang katai putih berputar dengan periode dua setengah jam (dalam pandangan seniman). Ini adalah pulsar PSR J0348 + 0432, yang memancarkan gelombang gravitasi. Dan meskipun mereka tidak dapat diukur secara langsung dari Bumi, adalah mungkin untuk mengukur perubahan dalam orbit yang terkait dengan hilangnya energi oleh sistem.

Saya tidak akan mengenali ruang-waktu atau kegagalan dalam inti teleportasi, bahkan jika mereka merangkak ke tempat tidur saya.
- Patrick Stewart

Pembaca bertanya:
Mengapa gravitasi berkurang dengan jarak dari objek? Saya membaca bahwa itu menurun sesuai dengan hukum kuadrat terbalik, tetapi tanpa penjelasan mengapa.

Pertanyaannya sederhana, tetapi diperlukan jawaban menyeluruh.

gambar

Fisika dan sains secara keseluruhan biasanya tidak berurusan dengan pertanyaan "mengapa" sehubungan dengan fenomena alam - biasanya hanya "bagaimana" dipelajari. Berikan teori, seperangkat hukum, dan objek fisik dengan sifat yang diberikan - dan ilmu pengetahuan akan memberi tahu Anda bagaimana mereka akan berperilaku dalam teori. Begitu pula dengan gravitasi.

gambar

Selama berabad-abad, gravitasi Newton telah menjadi teori paling sukses yang menggambarkan kekuatan yang bekerja dalam skala besar. Dia mengatakan bahwa semua benda di Semesta yang memiliki massa menarik semua benda besar lainnya. Dan gaya tarik sebanding dengan massa kedua benda dan berbanding terbalik dengan jarak di antara keduanya.



Hukum ini cukup mudah untuk dihitung pada komputer modern, dan kesesuaian teori dengan pengamatan sangat bagus.

Tetapi bisakah Anda mengatakan sesuatu yang pintar tentang mengapa gravitasi bekerja seperti itu? Pertimbangkan tetangga ruang terdekat kita.

gambar

Di sekitar Matahari, massa terbesar di sistem kami, semua benda lain, dari planet ke asteroid dan komet, terbang berputar-putar dan elips. Menariknya, lingkaran dan elips adalah orbit tertutup yang stabil - objek-objek ini setiap kali kembali ke titik yang sama, setelah selang waktu, yang kita sebut tahun.

Ini sendiri dari sudut pandang matematika cukup menarik. Pasukan adalah vektor, mereka memiliki kekuatan dan arah. Di tata surya, gaya yang bekerja pada benda diarahkan ke pusat matahari. Jika Anda membutuhkan sesuatu untuk terbang mengelilingi matahari dalam orbit tertutup, Anda hanya memiliki dua opsi.

gambar

Entah Anda membutuhkan gaya yang mematuhi hukum kuadrat terbalik (gravitasi), atau gaya yang meningkat secara linear dengan jarak (pegas). Ada teorema yang membuktikan bahwa selain dua kemungkinan ini, tidak ada yang lain.

Oleh karena itu, dapat meningkat atau menurun dengan jarak, tetapi hanya dalam satu cara, jika tidak kita tidak akan memiliki orbit tertutup yang stabil.

gambar

Dan karena memang orbit seperti itulah yang diperlukan untuk suhu stabil dan sedang di mana kehidupan dapat ada, kita benar-benar beruntung bahwa Semesta bekerja sesuai dengan hukum tersebut.

Ada kekuatan yang meningkat seiring dengan jarak - misalnya, interaksi yang kuat. Bahkan ada contoh gaya yang tidak memiliki arah dan yang konstan - energi gelap.

gambar

Tetapi hukum kuadrat terbalik tidak semuanya dapat dikatakan tentang gravitasi. Selain itu, karena ada orbit terbuka di sistem kami, kami perlu mengganti gravitasi Newton dengan teori relativitas umum yang lebih baru.



Orbit Merkurius mengalami presesi dan tidak mengunci sendiri. Ini adalah bel pertama yang melaporkan ketidaksempurnaan teori Newton. Setengah abad dihabiskan untuk menyelesaikan masalah ini dan kemunculan GR. Dan kami menyadari bahwa gravitasi tidak persis mengikuti hukum kuadrat terbalik - ini hanya perkiraan yang berlaku untuk jarak besar dan massa kecil dan energi.

gambar

Kami memiliki banyak prediksi baru, dikonfirmasi oleh percobaan, termasuk pelensaan gravitasi cahaya, mekanisme lain mengorbit benda besar pada jarak pendek, pergeseran merah gravitasi, dan banyak lagi.

Tetapi kesimpulan utama adalah bahwa benda-benda yang bergerak dalam orbit, secara tegas, tidak mematuhi hukum kuadrat terbalik.

gambar

Semua orbit, menurut relativitas umum, dilahirkan dari kekuatan yang sedikit lebih kuat daripada hukum kuadrat terbalik, sehingga mereka berkurang seiring waktu. Planet-planet bagian dalam adalah yang pertama meninggalkan orbitnya, diikuti oleh dunia yang lebih jauh, karena jaraknya lebih jauh. Pada akhirnya, dengan tidak adanya kekuatan lain, semuanya akan datang dalam spiral ke pusat gravitasi sistem.
scienceblogs.com/startswithabang/files/2013/11/white-dwarf-stars-death-dance_37620_600x450.jpeg

Jika Bumi berputar di sekitar matahari yang hidup tanpa akhir, akan butuh 10 150 tahun untuk sepenuhnya memudar dari orbitnya. Orbit yang benar-benar stabil dan tertutup di Semesta sama sekali tidak ada.

Setidaknya menurut GTR - teori terbaik yang saat ini menggambarkan gravitasi. Untuk massa kecil dan jarak yang jauh, ia merosot menjadi teori Newton klasik.

gambar

Tetapi mengapa GTR mengendalikan gravitasi di Semesta persis seperti ini? Tidak ada yang bisa mengatakan dengan pasti.

Karena itu, Anda harus puas dengan jawaban standar: gravitasi bekerja seperti itu, karena hukum alam diatur sedemikian rupa. Dimungkinkan untuk membayangkan Alam Semesta dengan hukum lain - tapi kami mendapatkannya, dan kami tidak benar-benar mengerti mengapa hukum itu diatur seperti itu. Kita dapat melakukan pengamatan, menurunkan hukum, memeriksanya - dan mungkin suatu hari nanti kita akan mengerti mengapa demikian.

More articles:


All Articles