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Wie funktioniert die Schwerkraft und könnten wir jemals eine Anti-Schwerkraft-Technologie entwickeln?

Ist es möglich, künstliche Schwerkraft in der Leere des Weltraums zu entwickeln?

Wir erleben Schwerkraft jeder einzelne lebende Moment unseres Lebens, ohne jemals wirklich darüber nachzudenken. Aber was ist es und verstehen wir es gründlich?

Hier untersuchen wir kurz unser aktuelles Verständnis der Schwerkraft und untersuchen, ob wir jemals könnten künstlich im Raum erstellen .

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 richtig verstanden haben, was es ist das Phänomen wird seit Jahrtausenden überlegt.

Griechische Philosophen dachten zum Beispiel einmal, die Planeten und Sterne seien Teile des Reiches der Götter. Nach ihrer Einschätzung unterlagen sie dem, was sie nannten " natürliche Bewegung ".

Obwohl sie das Konzept nicht viel darüber hinaus entwickelten, blieb ihre Erklärung im westlichen Denken bis zur Arbeit von vorherrschend. Galileo und Brahe im 16. Jahrhundert

Ihre Arbeit würde eine Revolution in unserem Verständnis der Schwerkraft auslösen und die Arbeit von Isaac Newton tiefgreifend beeinflussen.

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Schwerkraft, as Newton gesetzt, ist die Kraft, die die Erde in der Umlaufbahn um die Sonne hält. Wie Sie sich vielleicht aus Ihren Schultagen erinnern, wird die Schwerkraft in der Regel wie folgt definiert:

"Die Kraft, mit der ein Planet oder ein anderer Körper Objekte in Richtung seines Zentrums zieht. Die Schwerkraft hält alle Planeten in der Umlaufbahn um die Sonne." - NASA .

Mit anderen Worten, alles, was Masse hat, übt eine Kraft auf etwas anderes mit Masse aus und hat eine Kraft, die auf es ausgeübt wird. Je größer die Masse der Objekte und je kürzer der Abstand zwischen ihnen ist, desto stärker ist die Zugkraft der Objekte. Gravitationskräfte sie üben aufeinander aus.

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Quelle : Le Luxographe / Flickr

Immer wenn Sie in die Luft springen, versehentlich etwas von einem Tisch stoßen oder einen Ball in den Park werfen, damit Ihr Hund ihn fängt, kennen Sie intuitiv die Konsequenzen Ihrer Handlungen. Sie alle kehren schließlich zu Boden zurück.

Einstein würde später eine ganz andere Erklärung für die Schwerkraft liefern als Newton. 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 biegt und krümmt. Dies verzerrt den Pfaddass Objekte und Licht durchqueren müssen, wodurch der Effekt entsteht, den wir Schwerkraft nennen.

Tatsächlich ist jedes Objekt, das in der Schwerkraft eines anderen Himmelskörpers 'gefangen' ist, betroffen, da der Raum, durch den es sich bewegt, in Richtung dieses Objekts gekrümmt ist.

Einstein führte auch das Konzept des " Äquivalenzprinzip . "Dies besagt, dass Gravitations- und Trägheitskräfte sind von ähnlicher Art und oft nicht zu unterscheiden.

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Um dies zu veranschaulichen, stellen Sie sich vor, Sie befanden sich in einem Raketenschiff ohne Fenster und konnten das äußere Universum von Ihrer Umgebung aus nicht sehen. In diesem Fall ist es unmöglich zu sagen, ob die nach unten gerichtete Kraft, die Sie als Schwerkraft empfinden, eine echte Kraft ist oderdie Folge der Beschleunigung der Rakete in eine bestimmte Richtung.

Schwerkraft verstehen

Verstehen wir die Schwerkraft vollständig? Einfach gesagt, ja und auch nein. Während es eines der am weitesten verbreiteten ist untersuchte Naturphänomene im Universum verstehen wir es immer noch nicht wirklich.

Wie wir gesehen haben, haben Isaac Newton und Einstein bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Schwerkraft erzielt, 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.

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Was wir wissen, ist, dass Körper mit Masse voneinander angezogen werden. Diese "Kraft" ist entfernungsabhängig und schwächt sich ab, je weiter die Körper entfernt sind.

Es ist auch ein messbares Phänomen und eine der schwächsten Kräfte in der Natur. Denken Sie beispielsweise an Ihren durchschnittlichen Kühlschrankmagneten. Diese können der Anziehungskraft der Schwerkraft von etwas so Massivem wie der Erde leicht trotzen. Sie können den Auswirkungen der Schwerkraft auch entkommen, wenn auch nur vorübergehend, indem Sie einfach springen.

Aber diese Beziehung scheint am vollständig zusammenzubrechen. Quantenniveau . Es scheint einfach nicht zu passen und wir wissen nicht warum.

Quelle : dieser kleine Fotograf / Flickr

Im großen Stil unsere aktuelle Gravitationstheorien sind ziemlich nützlich, um das Verhalten großer Objekte vorherzusagen, aber auf der winzigen Quantenskala funktionieren die aktuellen Gravitationstheorien nicht.

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Dies ist eines der größten Probleme in der heutigen Physik. Viele Physiker hoffen, eines Tages ein einheitliche Theorie der Makro- und Quantenphysik, die erklären, was los ist.

Wie hilft uns die Schwerkraft?

Die Schwerkraft ist eine der grundlegendsten Kräfte im Universum. Argumente darüber, wie sie funktioniert, unabhängig von der Schwerkraft, sie ist ein sehr wichtiges Element für das Leben auf unserem Planeten.

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 existieren kann flüssige Form. Dies ist zufällig lebenswichtig.

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Die Schwerkraft hilft auch dabei, die Erdatmosphäre an Ort und Stelle zu halten und Luft zum Atmen bereitzustellen. Der Mars ist zum Beispiel weniger als halb so groß wie die Erde und ungefähr ein Zehntel der Erdmasse. Weniger Masse bedeutet weniger Anziehungskraft, und tatsächlich geht es in der Marsatmosphäre nur um 1/100 so dicht wie die Erde.

Die Schwerkraft trägt auch dazu bei, unseren Planeten zusammenzuhalten. Schwerkraft ist auch Was hält den Mond in der Umlaufbahn um die Erde. Die Anziehungskraft des Mondes zieht die Meere darauf zu und verursacht die Gezeiten des Ozeans.

Interessanterweise ist die Schwerkraft jedoch nicht an allen Orten der Erde gleich. Sie ist an Orten mit viel mehr Masse im Untergrund etwas stärker. als über Orten mit weniger Masse .

Wir wissen das aufgrund von zwei NASA-Raumfahrzeugen und deren Schwerkraftwiederherstellung und Klimaexperiment GRACE Mission.

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Quelle : NASA / Wikimedia Commons

Laut NASA erkennt die GRACE-Mission "winzige Änderungen der Schwerkraft im Laufe der Zeit. Diese Änderungen haben wichtige Details über unseren Planeten enthüllt. GRACE überwacht beispielsweise Änderungen des Meeresspiegels und kann Änderungen der Erdkruste erkennen, die durch Erdbeben verursacht wurden."

Kann Schwerkraft erzeugt werden?

Wie wir bereits gesehen haben, schlug Einstein vor, dass die Schwerkraft tatsächlich eine Folge der durch verschiedene Körper verursachten Verzerrung der Raumzeit ist. Aus diesem Grund sollte dies möglich sein. künstliche Schwerkraft entwickeln zumindest in der Leere des Raums.

Es ist erforderlich, ein Mittel zur Beschleunigung in eine Richtung bereitzustellen, das laut Einstein einen schwerkraftähnlichen Effekt erzeugen soll. Dies kann durch lineare Beschleunigung wie eine Rakete oder durch Drehimpuls, dh Zentripetaleffekt oder erfolgenBeschleunigung.

Dies ist ein häufiges Thema in vielen Science-Fiction-Büchern und -Filmen. Denken Sie an das rotierende Raumschiff in 2001: Eine Weltraum-Odyssee zum Beispiel.

Quelle : Colin Payson / Flickr

Solange das Schiff groß genug ist, sollte es in der Lage sein, eine Kraft auf seine Insassen auszuüben, die fast ausreicht. nicht von der Schwerkraft auf der Erde zu unterscheiden . Es wäre jedoch nicht genau dasselbe, da auch große Coriolis-Kräfte vorhanden wären und die Dinge in Kurven statt in geraden Linien fallen würden.

Dies hat auch einige inhärente Probleme. Je schneller etwas beschleunigt, desto größer ist die Anziehungskraft oder g-Kräfte bei den Insassen.

Dies ist kein Problem für stationäre Fahrzeuge wie eine Raumstation, aber für Schiffe, die lange Strecken mit hoher Beschleunigung zurücklegen müssten, könnte sich dies als katastrophal für die Besatzung erweisen.

Wenn das Fahrzeug nur mit einem kleinen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fahren würde, würde die Besatzung wahrscheinlich etwas mehr als erleben. 4.000 g . Das heißt, nach einem Artikel in Forbes , mehr als 100 mal die Beschleunigung, die benötigt wird, 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 umgangen werden kann, aber Sie hätten immer noch das Problem einer "abwärts gerichteten" Kraft. Es gibt wahrscheinlich keine Möglichkeit, die Besatzung "abzuschirmen"die Auswirkungen der Schwerkraft bei hohen Geschwindigkeiten im Weltraum.

Der einzige Weg, um in Zukunft damit umzugehen, könnte darin bestehen, irgendeine Form von Negativ oder Anti zu entwickeln. Gravitation, Feld . Wie alle Materie haben wir jedoch mindestens eine positive Masse, sodass wir einen Weg benötigen würden, um eine negative Gravitationsmasse zu erzeugen.

Quelle : NASA / Flickr

Genau daran wird am gearbeitet ALPHA-Experiment am CERN . Forscher, mit denen gearbeitet wird eingeschlossene Antiwasserstoffatome, das Antimaterie-Gegenstück zu Wasserstoff.

Durch genaue Vergleiche von Wasserstoff und Antiwasserstoff soll das Experiment grundlegende Symmetrien zwischen Materie und Antimaterie untersuchen. Dies könnte letztendlich dazu führen, dass die Messung der Gravitationsbeschleunigung von Antimaterie.

Wenn festgestellt wird, dass Antimaterie in Gegenwart des Gravitationsfeldes auf der Erdoberfläche auf einen negativen Wert beschleunigt z. B. einen anderen Wert als +9,8 m / s 2 würde dies theoretisch den Bau eines Gravitationsleiters ermöglichen, um uns vor der Gravitationskraft zu schützen.

nach Forbes : " Wenn es empfindlich genug wird, können wir messen, in welche Richtung es in ein Gravitationsfeld fällt. Wenn es wie normale Materie herunterfällt, hat es eine positive Gravitationsmasse und wir können es nicht zum Aufbau einer Gravitation verwendenDirigent. Aber wenn es in ein Gravitationsfeld fällt, ändert das alles. Mit einem einzigen experimentellen Ergebnis würde die künstliche Schwerkraft plötzlich zu einer physikalischen Möglichkeit. "

Wenn dies erfolgreich ist, kann dies auch die Tür für a öffnen. Gravitationskondensator zur Erzeugung eines gleichmäßigen künstlichen Gravitationsfeldes. Theoretisch könnte sogar die Erzeugung eines "Warp-Antriebs" ermöglicht werden - eine Möglichkeit, die Raumzeit zu verformen.

Bis wir jedoch ein Teilchen oder eine Reihe von Teilchen mit negativer Gravitationsmasse entdecken können, ist künstliche Schwerkraft nur durch mechanische Mittel wie Beschleunigung usw. möglich.

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