Gravitasjonskrefter
Alle gjenstandar med masse eller energi er påvirka av gravitasjonen. Det betyr at dei blir påvirka av ei form for kraft som vi kallar gravitasjonskraft, og som gjer at dei blir trekt mot kvarandre. For eksempel er det denne krafta som gjer at ting fell ned på jorda, og som gjer at himmellekamane kan gå i sine banar. I klassisk fysikk er denne krafta gitt ved Newtons gravitasjonslov, som er meir enn god nok i dei aller fleste tilfelle. Men når massane begynner å bli veldig store, som feks svarte hol, må vi bruka Einsteins generelle relativitetsteori. Som for alle andre krefter er enheten newton (N).
Newtons gravitasjonslov.
Tyngdekrafta som virkar mellom to objekt er ei tiltrekkjande kraft som er proporsjonal med massane til dei to objekta, og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dei. Hvis vi kallar massane m2 og m2, og avstanden mellom dei for r, kan vi skriva dette som:
Her er G den såkalla gravitasjonskonstanten som har verdien 6.67 × 10−11 Nm²/kg2. Dette er altså ein liten konstant, men sidan massane til objekta i verdensrommet bokstavelig talt er astronomiske, så blir krafta mellom dei betydelig. F1 er krafta som virkar på gjenstand 1 frå gjenstand 2 og peikar i retning gjenstand 2. F2 er krafta frå gjenstand 1 på gjenstand 2 og virkar i motsatt retning. Disse to kreftene er motkrefter til kvarandre.
Eksempel 1
Vi lar m1 = 5.97219 × 1024 kg og m2 = 1 kg. Så set vi r = 6371,2 km, dvs 6371 200 m, og puttar dette inn i formelen. Då får vi at krafta på F2 = 9.81 N. Dette er eit tal som mange vil kjenna igjen som tyngdeakselerasjonen, sjøl om det har feil enhet! Så ka er samanhengen? Jo, talet m1 er det same som jordmassen, og r er lik jordradien. Denne er jo ikkje heilt konstant, men dette er ein grei nok verdi. Så det vi har rekna ut er krafta frå jorda på ein gjenstand med massen 1 kg, som befinn seg på jordoverflata. Normalt ville vi då brukt den vanlige formelen for tyngde, nemlig G = mg og fått G = 1 kg * 9.81 m/s2 = 9.81 N. Så dette stemmer bra.
I utrekningane over har vi rekna jorda som ein punktmasse der all masse er samla i sentrum av jorda. I verkeligheten er den jo fordelt slik at ein del av massen er på jordoverflata (r = 0), mens ein del er på den motsette sida av jorda (r = to ganger jordradien), mens det meste er ein stad i mellom. Og den er ikkje jevnt fordelt. Likevel ser vi at vi gjer ingen stor feil når vi reknar som at i gjennomsnitt er all masse samla i midten.
Eksempel 2
Vi tar med eit anna eksempel for å visa at ei gravitasjonskraft ikkje nødvendigvis er det same som tyngda. Vi kan tenkja oss to like lodd som heng i kvar sin tråd ved sidan av kvarandre. Då vil disse tiltrekkja kvarandre med ei kraft F på grunn av gravitasjonen. Samtidig vil jorda trekkja på begge lodda med ei kraft G = mg. Og det er dette som er tyngda. Men F er også ei gravitasjonskraft. I teorien skulle ein kunna verifisera Newtons gravitasjonslov ved å måla vinkelen mellom snorene og loddlinja. Men i praksis vil den vera forsvinnande liten, sidan G er så mykje større enn F.
Gravitasjonens plass i fysikken
Gravitasjonskrafta er ein av dei fire fundamentalkreftene. Men den er mykje svakare enn dei tre andre og blir derfor med stor nøyaktighet vanligvis neglisjert i atom- og kjernefysikk. Også når vi reknar på bevegelsane til ladde partiklar i eit elektrisk eller magnetisk felt, ser vi ofte bort frå tyngdekrafta. Grunnen til at tyngdekrafta likevel dominerer i himmelmekanikken er dels at dei objekta vi reknar på der, som planeter og stjerner, er elektrisk nøytrale, og då vil dei elektromagnetiske kreftene vera forsvinnande små. I tillegg har kjernekreftene veldig kort rekkevidde (i størrelsesorden ein femtometer, dvs. 10−15 m) og dermed sit vi igjen med gravitasjonskrafta.
På subatomisk nivå er problemet med gravitasjonskrafta at i motsetning til dei tre andre kreftene, så har fysikarane aldri klart å formulera ein kvantefysisk modell for gravitasjonen. Håpet har vore å forena alle fundamentalkreftene i ein teori, men det ser ut til å vera eit godt stykke dit. Ein antar at gravitasjonskrafta er formidla gjennom ein hypotetisk masselaus partikkel kalla gravitonet, men dette er ikkje observert. Ein reknar også med at gravitasjonen forplantar seg med same fart som den elektriske krafta, nemlig lyshastigheten, og at plutselige forandringar i massefordelingen ein stad i universet ville skapa gravitasjonsbølger. Og begge disse teoriane ser ut til å stemma. Så vi veit ein god del om gravitasjonen. Men til tross for at denne krafta er så familiær, så vil mange fysikarar svara nei på spørsmålet om dei veit kva gravitasjonen "er".