Sólin Sólin Rís 10:48 • sest 15:45 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 07:25 • Sest 15:18 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 04:30 • Síðdegis: 16:44 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 10:47 • Síðdegis: 23:01 í Reykjavík

Hvernig liti alheimur án þyngdarafls út?

Mark Lovell

Alheimur án þyngdarafls væri gerólíkur okkar heimi og ekki einu sinni víst að slíkur sé til.

Lítum fyrst á hvað þyngdarafl er og hvernig vísindamenn lýsa því. Einfaldast er að segja það með því sé átt við kraft sem dregur hluti saman. Sérhverjir tveir hlutir - fótbolti, bíll, sólin, maður - dragast hvor að öðrum á sama hátt og syðri póll seguls dregur að sér norðurpól annars seguls. Styrkur aðdráttarkraftsins ræðst af efnismagni hlutanna og fjarlægðinni á milli þeirra. Því nær sem hlutirnir eru hvor öðrum þeim mun sterkari er krafturinn. Sömuleiðis eftir því sem þeir eru efnismeiri. Það kemur mörgum á óvart hversu veikur þyngdarkrafturinn er, heila reikistjörnu þarf til að halda þér á jörðinni. Lítill segull nægir til að lyfta nagla upp af gólfi þó þyngdarkrafturinn streitist á móti. Þessi lýsing á þyngdaraflinu, að það sé kraftur sem dragi hluti hvern að öðrum er nefnd þyngdarfræði Newtons - eftir Isaac Newton (1642-1727) - og það er sú lýsing sem við munum nota hér á eftir. Önnur og talsvert flóknari lýsing er til sem nefnist almenna afstæðiskenningin, en henni þarf að beita þegar fjallað er um gríðarlega þétt fyrirbæri eins og svarthol. Ég mun minnast á muninn á þyngdarfræði Newtons og almennu afstæðiskenningunni undir lokin.

Með lýsingu Newtons að vopni getum við nú ímyndað okkur hvernig alheimurinn væri ef ekkert væri þyngdaraflið. Ímyndum okkur að við gætum allt í einu slökkt á þyngdaraflinu í alheiminum. Ef við hendum bolta upp í loftið þá ... heldur hann bara áfram að ferðast upp á við. Hann myndi hægja á sér vegna loftmótstöðu en aldrei stöðvast og snúa við því það er ekkert sem togar hann til baka. Það sama á við ef þú hoppar upp í loftið: þú heldur bara áfram endalaust uppávið. Allt sem þyngdarkrafturinn heldur saman myndi leysast upp. Jörðin myndi liðast í sundur og vatnið og grjótið fjúka burt frá sólinni. Sólin gæti sprungið því nú er ekkert sem heldur á móti orkulosuninni í kjarnaofninum í miðju hennar. Leifar sólarinnar hættu að hringsóla um miðju Vetrarbrautarinnar eins og allar aðrar leifar stjarna sem nú svífa útávið. Vetrarbrautirnar sjálfar, sem eru á braut hver um aðra vegna áhrifa hins dularfulla hulduefnis, fara einnig að fjarlægjast hver aðra. Mynd 1 sýnir þyrpingu vetrarbrauta eins og hún birtist í viðamiklum hermireikningum í tölvum. Í þessari sviðsmynd væri alheimurinn almyrkur, því engar stjörnur myndu lýsa hann upp og slæðingur af grjóti og ryki - einingar sem rafkraftar ná að halda saman - svífur að eilífu um rúmið.

Hermun í ofurtölvum af þyrpingu vetrarbrauta. Vinstri myndin sýnir stjörnur í vetrarbrautunum sem mynda þyrpinguna, hægri myndin sýnir hulduefnið. Hulduefnið er litað eftir hraða þess, fjólublátt fer hægt, það gula hratt, í raun er það okkur ósýnilegt. Þyngdarverkun hulduefnisins heldur stjörnunum í vetrarbrautunum og svo vetrarbrautunum í nágrenni hver við aðra.

Þetta sem lýst er að ofan myndum við sjá í alheimi þar sem skyndilega væri slökkt á þyngdaraflinu. Það má líka spyrja hvað myndi gerast ef ekkert þyngdarafl væri til staðar í upphafi. Í Miklahvelli hófst hröð útþensla alheimsins og hann var heitur og þéttur. Heimurinn var fullur af öreindum og ljósi - ljóseindum - mun orkumeiri en augað greinir, öðrum byggingareiningum efnisheimsins, eins og kvörkum og rafeindum, auk hins dularfulla hulduefnis sem áður var minnst á. Þegar alheimurinn þenst út og kólnar, sameinast kvarkarnir og mynda róteindir og nifteindir sem í heimi með þyngdarafli eins og okkar enda á að mynda stjörnur, reikistjörnur og fólk. Í heimi án þyngdarafls halda þessar eindir áfram að dreifast með útþenslunni. Heimurinn væri þá fullur af frumeindum og ljósi og stjörnur ná aldrei að myndast, heldur ekki vetrarbrautir og fólk. Í heimi þar sem slökkt er á þyngdaraflinu endar heimurinn sem gengsær og fullur af grjóti og ryki, í þyngdaraflslausum heimi væri þoka atóma sem aldrei ættu möguleika í að safnast saman í stjörnur eða mynda sameindir.

Að síðustu, við höfum hér gengið út frá því að þyngdarfræði Newtons gefi góða lýsingu á þyngdarkraftinum. Við nefndum einnig aðra útgáfu, almennu afstæðiskenninguna, sem nauðsynlegt er að beita ef lýsa á hreyfingu hluta sem á verkar þyngdarkraftur sem er mun sterkari en á jörðinni, til dæmis nærri sólinni eða í nágrenni svarthols. Almenna afstæðiskenningin lýsir reyndar þyngdarhrifum sem sveigju í tímarúminu, sveigju sem stafar af tilvist efnis. Með þeirri lýsingu værum við í raun að breyta upplifun okkar á sjálfum tímanum ef enginn þyngdarkraftur væri til staðar.

Hvernig liti þá heimur án þyngdarafls út? Ef við slökkvum skyndilega á því: Myrkur fyllt grjóti og ryki. Ef þyngdarkraftur Newtons hefði aldrei verið til staðar: Myrkur fyllt atómum. Ef almenna afstæðiskenningin hefði aldrei verið til: Þá væri núið sennilega ekki til.

Mynd:
  • Mynd 1: Höfundur forrits: Y. Bahé, D. Barnes et al. (DOI: 10.1093/mnras/ stx1403, DOI: 10.1093/mnras/stx1647). Höfundur myndar: M. Lovell.

Gunnlaugur Björnsson, deildarstjóri Háloftadeildar - Raunvísindastofnun Háskólans, þýddi textann úr ensku.

Höfundur

Mark Lovell

rannsóknasérfræðingur í stjarneðlisfræði við HÍ

Útgáfudagur

4.11.2021

Spyrjandi

Peik Bjarnason

Tilvísun

Mark Lovell. „Hvernig liti alheimur án þyngdarafls út?“ Vísindavefurinn, 4. nóvember 2021. Sótt 2. desember 2021. http://visindavefur.is/svar.php?id=10014.

Mark Lovell. (2021, 4. nóvember). Hvernig liti alheimur án þyngdarafls út? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=10014

Mark Lovell. „Hvernig liti alheimur án þyngdarafls út?“ Vísindavefurinn. 4. nóv. 2021. Vefsíða. 2. des. 2021. <http://visindavefur.is/svar.php?id=10014>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvernig liti alheimur án þyngdarafls út?
Alheimur án þyngdarafls væri gerólíkur okkar heimi og ekki einu sinni víst að slíkur sé til.

Lítum fyrst á hvað þyngdarafl er og hvernig vísindamenn lýsa því. Einfaldast er að segja það með því sé átt við kraft sem dregur hluti saman. Sérhverjir tveir hlutir - fótbolti, bíll, sólin, maður - dragast hvor að öðrum á sama hátt og syðri póll seguls dregur að sér norðurpól annars seguls. Styrkur aðdráttarkraftsins ræðst af efnismagni hlutanna og fjarlægðinni á milli þeirra. Því nær sem hlutirnir eru hvor öðrum þeim mun sterkari er krafturinn. Sömuleiðis eftir því sem þeir eru efnismeiri. Það kemur mörgum á óvart hversu veikur þyngdarkrafturinn er, heila reikistjörnu þarf til að halda þér á jörðinni. Lítill segull nægir til að lyfta nagla upp af gólfi þó þyngdarkrafturinn streitist á móti. Þessi lýsing á þyngdaraflinu, að það sé kraftur sem dragi hluti hvern að öðrum er nefnd þyngdarfræði Newtons - eftir Isaac Newton (1642-1727) - og það er sú lýsing sem við munum nota hér á eftir. Önnur og talsvert flóknari lýsing er til sem nefnist almenna afstæðiskenningin, en henni þarf að beita þegar fjallað er um gríðarlega þétt fyrirbæri eins og svarthol. Ég mun minnast á muninn á þyngdarfræði Newtons og almennu afstæðiskenningunni undir lokin.

Með lýsingu Newtons að vopni getum við nú ímyndað okkur hvernig alheimurinn væri ef ekkert væri þyngdaraflið. Ímyndum okkur að við gætum allt í einu slökkt á þyngdaraflinu í alheiminum. Ef við hendum bolta upp í loftið þá ... heldur hann bara áfram að ferðast upp á við. Hann myndi hægja á sér vegna loftmótstöðu en aldrei stöðvast og snúa við því það er ekkert sem togar hann til baka. Það sama á við ef þú hoppar upp í loftið: þú heldur bara áfram endalaust uppávið. Allt sem þyngdarkrafturinn heldur saman myndi leysast upp. Jörðin myndi liðast í sundur og vatnið og grjótið fjúka burt frá sólinni. Sólin gæti sprungið því nú er ekkert sem heldur á móti orkulosuninni í kjarnaofninum í miðju hennar. Leifar sólarinnar hættu að hringsóla um miðju Vetrarbrautarinnar eins og allar aðrar leifar stjarna sem nú svífa útávið. Vetrarbrautirnar sjálfar, sem eru á braut hver um aðra vegna áhrifa hins dularfulla hulduefnis, fara einnig að fjarlægjast hver aðra. Mynd 1 sýnir þyrpingu vetrarbrauta eins og hún birtist í viðamiklum hermireikningum í tölvum. Í þessari sviðsmynd væri alheimurinn almyrkur, því engar stjörnur myndu lýsa hann upp og slæðingur af grjóti og ryki - einingar sem rafkraftar ná að halda saman - svífur að eilífu um rúmið.

Hermun í ofurtölvum af þyrpingu vetrarbrauta. Vinstri myndin sýnir stjörnur í vetrarbrautunum sem mynda þyrpinguna, hægri myndin sýnir hulduefnið. Hulduefnið er litað eftir hraða þess, fjólublátt fer hægt, það gula hratt, í raun er það okkur ósýnilegt. Þyngdarverkun hulduefnisins heldur stjörnunum í vetrarbrautunum og svo vetrarbrautunum í nágrenni hver við aðra.

Þetta sem lýst er að ofan myndum við sjá í alheimi þar sem skyndilega væri slökkt á þyngdaraflinu. Það má líka spyrja hvað myndi gerast ef ekkert þyngdarafl væri til staðar í upphafi. Í Miklahvelli hófst hröð útþensla alheimsins og hann var heitur og þéttur. Heimurinn var fullur af öreindum og ljósi - ljóseindum - mun orkumeiri en augað greinir, öðrum byggingareiningum efnisheimsins, eins og kvörkum og rafeindum, auk hins dularfulla hulduefnis sem áður var minnst á. Þegar alheimurinn þenst út og kólnar, sameinast kvarkarnir og mynda róteindir og nifteindir sem í heimi með þyngdarafli eins og okkar enda á að mynda stjörnur, reikistjörnur og fólk. Í heimi án þyngdarafls halda þessar eindir áfram að dreifast með útþenslunni. Heimurinn væri þá fullur af frumeindum og ljósi og stjörnur ná aldrei að myndast, heldur ekki vetrarbrautir og fólk. Í heimi þar sem slökkt er á þyngdaraflinu endar heimurinn sem gengsær og fullur af grjóti og ryki, í þyngdaraflslausum heimi væri þoka atóma sem aldrei ættu möguleika í að safnast saman í stjörnur eða mynda sameindir.

Að síðustu, við höfum hér gengið út frá því að þyngdarfræði Newtons gefi góða lýsingu á þyngdarkraftinum. Við nefndum einnig aðra útgáfu, almennu afstæðiskenninguna, sem nauðsynlegt er að beita ef lýsa á hreyfingu hluta sem á verkar þyngdarkraftur sem er mun sterkari en á jörðinni, til dæmis nærri sólinni eða í nágrenni svarthols. Almenna afstæðiskenningin lýsir reyndar þyngdarhrifum sem sveigju í tímarúminu, sveigju sem stafar af tilvist efnis. Með þeirri lýsingu værum við í raun að breyta upplifun okkar á sjálfum tímanum ef enginn þyngdarkraftur væri til staðar.

Hvernig liti þá heimur án þyngdarafls út? Ef við slökkvum skyndilega á því: Myrkur fyllt grjóti og ryki. Ef þyngdarkraftur Newtons hefði aldrei verið til staðar: Myrkur fyllt atómum. Ef almenna afstæðiskenningin hefði aldrei verið til: Þá væri núið sennilega ekki til.

Mynd:
  • Mynd 1: Höfundur forrits: Y. Bahé, D. Barnes et al. (DOI: 10.1093/mnras/ stx1403, DOI: 10.1093/mnras/stx1647). Höfundur myndar: M. Lovell.

Gunnlaugur Björnsson, deildarstjóri Háloftadeildar - Raunvísindastofnun Háskólans, þýddi textann úr ensku....