Das Buch „Schwerkraft. Die letzte Versuchung von Einstein

Nachdem wir das Geheimnis der Schwerkraft gelöst haben, können wir die größten Fragen der Wissenschaft beantworten: Was ist Raum? Was ist die Vorlaufzeit? Was ist das Universum? Woher kam das alles? Der berühmte populärwissenschaftliche Autor Marcus Chown lädt Sie zu einer aufregenden Reise ein - von dem Moment an, als die Schwerkraft 1666 als physikalische Kraft erkannt wurde, bis zur Entdeckung der Gravitationswellen im Jahr 2015. Eine tektonische Verschiebung nähert sich unseren Vorstellungen von Physik, und dieses Buch erzählt, welche Fragen das Phänomen der Schwerkraft vor uns aufwirft.

Auszug. Mond: Versuch zu fliehen

Der Gezeiteneinfluss des Mondes auf die Erde verlangsamt die Bewegung unseres Planeten und verringert sein Rotationsmoment. Es gibt ein Grundprinzip der Physik, die als Impulserhaltung während der Rotation bezeichnet wird und nach dem sich das Drehmoment eines isolierten (geschlossenen) Systems niemals ändert. Dies bedeutet, dass wenn das Rotationsmoment der Erde abnimmt, das Rotationsmoment eines anderen Elements des Systems dies durch Erhöhen ausgleichen muss. In unserem Fall gibt es nur eine Option - den Mond.

Die Anziehungskraft des Mondes erzeugt zwei Gezeitenunebenheiten auf zwei Seiten der Erde, aber diejenige, die auf derselben Seite wie der Mond erscheint, zieht ihn mit der größten Kraft an. Wie wir bereits wissen, passiert dieser Gezeitenhügel normalerweise den Mond in seiner Umlaufbahn, weil die Erde eine Umdrehung um ihre Achse schneller macht als der Mond um ihn herum. Daher zieht die Schwerkraft der Erde den Mond in seiner Umlaufbahn nach vorne und beschleunigt ihn.

Bitte beachten Sie, dass die Gravitationskraft der Erde in einer Entfernung zum Mond genau den gleichen Wert hat, der erforderlich ist, um die Flugbahn eines Körpers, der sich mit Mondgeschwindigkeit bewegt, zu biegen und ihm die Form einer geschlossenen Umlaufbahn zu geben, die wir beobachten. Wenn sich der Mond zu schnell bewegt, überschreitet seine Geschwindigkeit die erforderliche Geschwindigkeit und er fliegt aus der Umlaufbahn. In Bezug auf die Erde bedeutet „jenseits der Umlaufbahn“ nach oben, aber wir wissen, dass die Schwerkraft den Flug verlangsamt, wenn Sie einen Körper (z. B. einen Ball) nach oben werfen. Paradoxerweise bewegt sich der Mond, beschleunigt durch Gezeitenwechselwirkung mit der Erde, langsamer mit der Entfernung von der Erde. Dadurch steigt das Drehmoment auf den gewünschten Wert.

Und das ist nicht nur theoretisches Denken. Das bemannte amerikanische Raumschiff Apollo 11, Apollo 14 und Apollon 15 sowie die unbemannten sowjetischen Fahrzeuge Lunokhod-1 und Lunokhod-2 hinterließen Reflektoren auf der Mondoberfläche. Diese faustgroßen Spiegel werden auch als Winkelreflektoren bezeichnet und können Licht genau in die Richtung reflektieren, aus der es kommt. Das heißt, Sie können den Laserstrahl so auf den Mond richten, dass er vom Winkelreflektor reflektiert wird, und dann die Zeit messen, die er zur Erde zurückkehrt. Wenn Sie die Lichtgeschwindigkeit kennen, können Sie die Entfernung zum Mond leicht berechnen.

Experimente zeigen, dass die Entfernung, die ein vom Mond reflektierter Strahl zurücklegt, jedes Jahr um 3,8 Zentimeter zunimmt. Mit anderen Worten, alle 12 Monate bewegt sich der Mond um eine Entfernung von der Erde, die ungefähr der Länge des Daumens entspricht. Wenn Sie 70 Jahre alt sind, hat sie in Ihrem Leben einen Weg gefunden, der der Länge eines Autos entspricht.

Beobachtung der totalen Finsternisse

Die Tatsache, dass der Mond jedes Jahr 3,8 Zentimeter von der Erde entfernt ist, bedeutet, dass er uns einmal viel näher war. Dies wiederum beeinflusste das Auftreten totaler Finsternisse - eines der beeindruckendsten Naturphänomene.

Wie wir bereits wissen, tritt eine totale Sonnenfinsternis auf, wenn der Mond zwischen Erde und Sonne wandert, die Sonnenscheibe bedeckt und einen Schatten auf die Erde wirft. Eine totale Sonnenfinsternis ist möglich, weil die Sonne, obwohl sie 400-mal größer als der Mond ist, 400-mal weiter von uns entfernt ist. Deshalb scheinen uns Sonne und Mond am Himmel gleich groß zu sein. Dies ist ein sehr guter Umstand für uns. Trotz der Tatsache, dass es mehr als 170 Monde im Sonnensystem gibt, ist es unmöglich, eine totale Sonnenfinsternis von irgendeinem Planeten aus zu beobachten. Außerdem hatten wir nicht nur Glück mit dem Ort, sondern auch mit der Zeit.

Wenn sich der Mond von der Erde entfernt, schien er in der Vergangenheit größer zu sein, und in Zukunft wird er kleiner. Anscheinend begannen die ersten totalen Finsternisse vor ungefähr 150 Millionen Jahren, und nach weiteren 150 Millionen Jahren werden sie überhaupt nicht mehr sein. Die Bewohner der Erde können nur für einen kurzen Zeitraum ihrer Existenz vollständige Finsternisse beobachten. Zum Beispiel waren sie zur Zeit der Dinosaurier nicht da.

Die Tatsache, dass sich der Mond von der Erde entfernt und in der Vergangenheit näher an ihr war, ist perfekt mit der Theorie seines Ursprungs verbunden.

Der Planet, der die Erde jagte

Der Mond ist im Verhältnis zur Erde zu groß und sein Durchmesser beträgt ungefähr ein Viertel des Durchmessers unseres Planeten. Alle anderen Monde im Sonnensystem scheinen neben ihren Planeten winzig zu sein. Mit Ausnahme von Pluto, dessen Mond im Verhältnis zu seiner Größe noch größer ist, gilt Pluto seit 2006 nicht mehr als Planet.

Diese Größe des Mondes deutet darauf hin, dass ihre Herkunft ungewöhnlich war. Wissenschaftler vermuten, dass unser Planet vor 4,55 Milliarden Jahren, als er gerade geformt wurde, mit einem Himmelskörper kollidierte, dessen Masse ungefähr der Masse des Mars entspricht (heute heißt dieser hypothetische Planet Theia). Die inneren Schichten der Erde verwandelten sich in eine Flüssigkeit, und ein Teil ihres Mantels spritzte in ein Vakuum. Um unseren Planeten hat sich ein Ring gebildet, ähnlich dem, der von Gasriesen im Sonnensystem umgeben ist. Aus diesem Ring bildete sich schnell der Mond, dessen Umlaufbahn zu dieser Zeit zehnmal näher an der Erde lag. Danach begann sich der Mond allmählich von unserem Planeten zu entfernen.

Die Bestätigung der Big Burst-Theorie wurde während des amerikanischen Weltraumprogramms Apollo gefunden, dank dessen wir wissen, dass die Zusammensetzung des Mondes der Zusammensetzung des äußeren Erdmantels ähnlich ist. Außerdem enthalten Mondfelsen viel weniger Wasser als die trockensten terrestrischen Klippen. Dies bestätigt, dass sie einmal hohen Temperaturen ausgesetzt waren. Die Frage ist nur: Damit ein Körper mit der Masse des Mars nicht unseren gesamten Planeten zerstört, sondern nur den Mond erschafft, sollte er mit sehr geringer Geschwindigkeit entlang der Tangente zur Erde gehen. Alle kosmischen Körper, die sich in Umlaufbahnen um die Sonne bewegen (sowohl innerhalb als auch außerhalb der Erdumlaufbahn), sind dafür zu schnell.

Die Big Burst-Theorie wird nur funktionieren, wenn sich Teia einmal in derselben Umlaufbahn wie der Mond befand. Es könnte aus Trümmern an einem stabilen Punkt von Lagrange gebildet werden, dh 60 Grad vor der Erde oder dahinter in einer Umlaufbahn um die Sonne. Heute bewegen sich dieselben Asteroidenfragmente in der Umlaufbahn des Jupiter 60 Grad vor und hinter ihm, so dass Jupiter im Sargassosee zu schweben scheint. Nach der Theorie des Big Burst verfolgt Teia die Erde seit Millionen von Jahren und bewegt sich dann in eine andere Umlaufbahn, die eine Kollision verursacht.

Da die Gravitationskraft des Körpers mit dem Quadrat der Entfernung von ihm schwächer wird, nehmen die Gezeitenkräfte, die durch den Unterschied in der Anziehungskraft erklärt werden, mit dem Würfel der Entfernung ab. Der neu gebildete Mond war ungefähr zehnmal näher an der Erde als jetzt, was bedeutet, dass die Gezeitenkraft, mit der er die Erde beeinflusste, war mal mehr als jetzt. Zu dieser Zeit hatte die Erde noch keine Ozeane, aber wenn dies der Fall wäre, würde das Wasser in ihnen zweimal am Tag steigen, nicht um ein paar Meter, sondern um Kilometer.

Aber nicht nur der neugeborene Mond hat die Erde beeinflusst. Die Erde selbst wirkte auch mit einer um das 1000-fache erhöhten Gezeitenkraft auf sie ein. Die Hemmung der Bewegung des Mondes war so stark, dass sie höchstwahrscheinlich ziemlich früh (etwa zehn Millionen Jahre nach seiner Entstehung) darin fixiert wurde. Da die ersten Mikroorganismen auf der Erde viel später, vor etwa 3,8 bis 4 Milliarden Jahren, auftauchten, beobachtete kein einziges Lebewesen die Rückseite des Mondes, die sich am Nachthimmel drehte.

Der Mond bewegte sich nicht immer mit dieser Geschwindigkeit

Es stellt sich eine interessante Frage: Hat sich der Mond immer mit einer Geschwindigkeit von 3,8 Zentimetern pro Jahr von der Erde entfernt? 2013 fand eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Matthew Huber von der Purdue University (West Lafayette, Indiana) heraus, wie diese Situation vor 50 Millionen Jahren aussah. Sie gaben Daten über die Tiefen der Ozeane und die Konturen der damals existierenden Kontinente in einen Computersimulator der Gezeiten ein und kamen auf der Grundlage ihrer Indikatoren zu dem Schluss, dass sich der Mond zu diesem Zeitpunkt langsamer, höchstwahrscheinlich zweimal, von der Erde entfernte.

Es geht um den Atlantik, der heute breit genug ist, um einen großen Gezeitenbuckel zu bilden, der den Mond beeinflusst und ihn schnell genug zurücktreten lässt. Vor 50 Millionen Jahren hatte der Ozean noch nicht seine heutige Form angenommen, so dass sein Gezeitenbuckel kleiner und sein Einfluss auf die Bewegung des Mondes schwächer war. Zu dieser Zeit war der Pazifik für den größten Teil der Gezeiten verantwortlich.

Dieses Beispiel ist ein weiteres Beispiel dafür, wie komplex das Gezeitensystem ist. Ihre Höhe und die Kraft, mit der sie die Bewegung der Erde verlangsamen und den Rückzug des Mondes beschleunigen, hängen davon ab, wie leicht sich die Gezeitenbuckel über den Ozean bewegen können. Dies ist wiederum auf die Lage der Kontinente zurückzuführen, die sich aufgrund der Kontinentalverschiebung (Plattentektonik, wie sie offiziell genannt wird) ständig ändert.

Aufgrund der Tatsache, dass es unmöglich ist, die Bewegung von Platten langfristig vorherzusagen, können wir auch nicht wissen, wann sich die Erdrotation verlangsamen wird, so dass sie für immer eine Seite zum Mond gedreht wird. Wir wissen nur eines: Damit die Erde in 47 Tagen eine vollständige Umdrehung um ihre Achse beginnt und der Mond sich so weit von ihr entfernt, dass seine Umlaufbahn ebenfalls 47 Tage dauern würde, müssen mindestens zehn Milliarden Jahre vergehen. Wir wissen bereits, dass dies ein völlig hypothetisches Szenario ist, denn zu diesem Zeitpunkt wird sich die Sonne in einen schrecklichen roten Riesen verwandeln, der 10.000-mal heller als heute scheint und das Erde-Mond-System zerstört (oder zumindest erheblich verändert).

Die Gezeiten haben eine andere Eigenschaft. Jeden Tag, wenn die Wellen an der Küste rollen und dann zum Meer zurückkehren, nehmen sie viele kleine Kieselsteine ​​auf. Reibung zwischen Steinen, die ständig miteinander kollidieren, erzeugt Wärmeenergie, die von der Umgebung absorbiert wird. Es ist ein solcher Energieverlust, der letztendlich zu einer Verlangsamung der Erdrotation führt.

Die Gezeiten erwärmen die Erde leicht, und wenn Sie im Meer schwimmen gehen, verbrennen weder Sand noch Steine ​​Ihre Füße. Aber im Sonnensystem gibt es einen Ort, an dem die Gezeiten viel mehr Wärmeenergie erzeugen. Dies ist Io, der riesige Satellit des Jupiter, der 1609 von Galileo entdeckt wurde.

Mondpizza

8. März 1979 Die Raumsonde Voyager-1 der NASA fliegt schneller als eine Kugel durch das Jupiter-System und eilt 1980 dem Saturn entgegen. Doch bevor der Gasriese die Sonde für immer verlässt, zwingt ihn das Kontrollteam, die Kamera zurückzudrehen und sich von Io zu verabschieden. Linda Morabito, die Navigationsingenieurin, war die erste, die das Bild über eine Entfernung von 640 Millionen Kilometern vom Missionskontrollzentrum sah, und sie war atemberaubend. Eine Säule aus phosphoreszierendem Gas bricht aus einem winzigen, nur sichtbaren Halbmond aus.

Morabito war der erste in der Geschichte der Menschheit, der Ios Supervulkane sah. Am nächsten Tag beugte sich das gesamte Voyager-Managementteam über vergrößerte Fotos und Temperaturmessdaten. Sie entdeckten acht riesige Gassäulen, die Materie Hunderte von Kilometern hochwerfen. Es stellte sich heraus, dass Io der geologisch aktivste kosmische Körper im Sonnensystem ist, auf dem sich mehr als 400 Vulkane befinden. Die Löcher, durch die orange, gelbe und braune Steine ​​auf die Oberfläche von Io geworfen werden und es wie Pizza aussehen lassen, ähneln Geysiren im Yellowstone Park. In gewisser Weise sind Io-Vulkane echte Geysire. Lava in ihnen entweicht nicht an die Oberfläche, sondern erwärmt flüssiges Schwefeldioxid, das sich direkt unter der Rinde von Io befindet, und verwandelt sich in Gas. Dann wird das Gas genau wie der Dampf im Erdgeysir hochgeschleudert.

Jedes Jahr setzt Io etwa 10.000 Millionen Tonnen Substanz in ein Vakuum frei, das dann an die Oberfläche fällt und es mit Schwefel bedeckt, wie die Erde um Geysire in Yellowstone. Deshalb sieht Io auf den Fotos wie eine riesige Pizza aus. Helle Farben sind nur Schwefelschichten mit unterschiedlichen Temperaturen.

Der Schlüssel zum Verständnis von Ios Supervulkanen ist Jupiter, das 318-fache der Masse der Erde. Io ist in der gleichen Entfernung davon wie der Mond von der Erde. Aber aufgrund der enormen Schwerkraft des Jupiter dreht sich Io nicht in 27 Tagen wie unser Mond um ihn, sondern in nur 1,7 Tagen. Die Schwerkraft, die auf die Gezeitenhöcker von Io einwirkt, hat ihre Rotation lange gestoppt, so dass der Mond nun ständig auf einer Seite zu seinem Planeten gedreht wird. Stellen Sie sich vor, welche Sicht sich vor Menschen öffnet, wenn das Raumschiff jemals auf der Oberfläche von Io sitzt: Jupiter und seine mehrfarbigen wolkigen Ringe werden ein Viertel des Himmels einnehmen.

Da Io in einer Position fixiert ist, werden die beiden Gezeitenhöcker, die unter dem Einfluss von Jupiters Anziehung entstanden sind, direkt auf ihn und direkt von ihm gerichtet. Sie werden sich nicht in Stein bewegen, da sich terrestrische Gezeitenbuckel in den Ozeanen bewegen. Wenn so etwas auf Io passieren würde, würden sich die harten Steine ​​ständig dehnen und schrumpfen und sich aufgrund von Reibung allmählich erwärmen (der Gummiball, den Sie in Ihrer Hand drücken, erwärmt sich auf die gleiche Weise). Da dies nicht geschieht, ist es logisch anzunehmen, dass die Temperatur von Io unter dem Einfluss der Gezeiten von Jupiter nicht ansteigt.

Aber das ist nicht so.

Eine Schlüsselrolle bei der Erwärmung von Io spielen zwei weitere von Galileo entdeckte Monde, die sich in vom Planeten weiter entfernten Umlaufbahnen bewegen - Europa und Ganymed. Ganymed ist der größte Mond im Sonnensystem und größer als Merkur. In der Zeit, die Io benötigt, um viermal um Jupiter herumzugehen, tut Europa dies zweimal und Ganymed einmal. Aus diesem Grund stellen sich zwei Satelliten regelmäßig als in einer Linie ausgerichtet heraus, was ihre Wirkung auf Io verstärkt. Sie scheinen Io zur Seite zu ziehen und ihre Umlaufbahn zu verlängern. Daher bewegt sich Io ständig in Richtung Jupiter oder von ihm weg. Es ist diese Bewegung, die Io von innen aufwärmen lässt.

Ja, die Gezeitenhöcker von Io sind direkt zum und vom Jupiter gerichtet. Aber wenn Io sich seinem Planeten nähert, wächst der Gezeitenbuckel und wenn er geht, nimmt der Buckel ab. Aufgrund der ständigen Bewegung des Gesteins wird es entweder komprimiert oder gedehnt, und aufgrund dieses Prozesses wird Io so stark erwärmt, dass es und nicht die Sonne die meiste Wärme pro Pfund Gewicht im Sonnensystem erzeugt.

Das Rätsel von Pluto und Charon

Das Jupiter-Io-Paar ist nicht das einzige im Sonnensystem, in dem zwei Himmelskörper, die sich in Umlaufbahnen umeinander bewegen, in einer solchen Position fixiert wurden, dass für jeden von ihnen nur eine Seite der anderen sichtbar ist. Es gibt auch Pluto und seinen riesigen Mond Charon.

Das Interessanteste an Charon ist, dass sein Durchmesser der Hälfte des Durchmessers von Pluto entspricht. Dank dessen galt Pluto für einige Zeit als Planet mit dem größten Mond (im Verhältnis zu seiner eigenen Größe) im Sonnensystem. Aber im Jahr 2006 beraubte die Internationale Astronomische Union Pluto des Status eines Planeten und übertrug ihn in die Kategorie der Zwergplaneten. Jetzt ist es nur einer von vielen Zehntausenden von Eisresten, die die Sonne an der Grenze des Sonnensystems umkreisen.

Der Kuipergürtel besteht aus Eisresten, die nach dem Erscheinen der Planeten zurückbleiben. Der Planet hat nicht aus ihnen herausgearbeitet, weil sie zu spärlich waren. Der Kuipergürtel ähnelt dem inneren Asteroidengürtel des Sonnensystems - einer weiteren Deponie planetarischer Bauschutt, die sich unter dem Einfluss der Schwerkraft des Jupiter nicht an einem Punkt konzentrieren konnte.

Der innere Rand des Kuipergürtels beginnt in der Nähe von Neptun (dh der Abstand von ihm zur Sonne ist etwa 30-mal größer als von der Erde), und die äußeren Enden befinden sich in einem Abstand von der Sonne, der 50-mal größer ist als der, auf dem sich die Erde befindet. Trotz des Namens sagte der ehemalige irische Soldat und Amateurastronom Kenneth Edgeworth erstmals 1943 die Existenz dieses Gürtels voraus, so dass er fairerweise als Edgeworth-Kuiper-Gürtel bezeichnet werden sollte.

Pluto erfüllt die beiden Kriterien des Planeten, die 2006 von der Internationalen Astronomischen Union formuliert wurden: Er ist rund und bewegt sich im Orbit um die Sonne. Da sich jedoch viele Objekte aus dem Kuipergürtel neben ihm befinden, erfüllt er nicht die dritte Anforderung - eine freie Umlaufbahn, auf der sich keine anderen Himmelskörper befinden.

Am 14. Juli 2015 flog die New Horizons-Station der NASA wie ein Hochgeschwindigkeitszug durch das Pluto-Charon-System und passierte nur 14.000 Kilometer über dem Himmelskörper, der zum Zeitpunkt des Versands der Station noch als Planet galt. Die Mitarbeiter des Missionskontrollzentrums auf der Erde waren begeistert. Sie erwarteten eine tote, bewegungslose Welt, die von kosmischer Kälte fernab der Sonne gebunden war. Stattdessen tauchten vor ihnen Stickstoffgletscher und Eisberge auf, deren Gipfel in Wirbeln dünner Wolken versteckt waren. Am überraschendsten war, dass die sogenannte Tombo-Region (ein rosa Fleck auf Pluto, geformt wie eine Wolke und benannt nach Plutos Entdecker Clyde Tombo) im Gegensatz zum Rest des Planeten keinen einzigen Krater hatte. Dies bedeutete, dass sich hier vor relativ kurzer Zeit Eis bildete.

Woher kommt die Energie für diese ungewöhnliche Aktivität? Die inneren Schichten der Erde werden aufgrund der Radioaktivität von Uran, Thorium und Kalium erwärmt, aber dies reicht nicht aus, um Pluto zu erwärmen. Eine Erwärmung unter dem Einfluss von Charons Gezeitenkraft ist ebenfalls ausgeschlossen, da ein ähnlicher Vorgang in einem System unmöglich ist, in dem sich der Mond in einem Kreis um den Planeten bewegt und beide Himmelskörper immer auf derselben Seite zueinander gedreht sind. Diese Regel funktioniert jedoch nur, wenn sich Charon zum Zeitpunkt der Entstehung des Sonnensystems in der Umlaufbahn von Pluto befand, ungefähr zur gleichen Zeit, als der Mond ein Satellit der Erde wurde. Wenn Pluto seinen Satelliten kürzlich (in den letzten halben Milliarden Jahren) erworben hätte, wäre eine Erwärmung unter dem Einfluss von Gezeitenkräften aufgetreten und hätte fortgesetzt, bis Pluto und Charon in ihrer aktuellen Position relativ zueinander fixiert waren. Niemand weiß, wie es wirklich war. Diese Frage bleibt offen.

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