211service.com
Tidvattenkrafter bär gravitationsvågornas matematiska signatur
gravitationsvågor Getty
I februari 2016 tillkännagav ett internationellt team av fysiker den första direkta observationen av gravitationsvågor. Vågorna hade skapats av den gigantiska kollisionen av ett par svarta hål, vart och ett ungefär 30 gånger solens massa – en smäll så katastrofal att den skickade krusningar genom rymdtidens väv.
Upptäckten var en triumf för fysikgemenskapen. De hade länge vetat att Einsteins allmänna relativitetsteori antydde att krusningar i rymdtiden var möjliga. Dessa vågor klämmer ihop och sträcker ut rymden med avstånd som är mindre än en protons bredd. För att upptäcka dem byggde fysiker ett nätverk av enormt känsliga detektorer som kostade långt över en miljard dollar. Så upptäckten av de första vågorna 2016 var både en lättnad och en betydande framgång.
Nu säger två fysiker att gravitationsvågor har gömt sig i osynlig sikt hela tiden. Rituparno Goswami vid University of KwaZulu-Natal och George Ellis vid University of Cape Town, båda i Sydafrika, använder idag lite matematisk trolldom för att visa att tidvattenskrafter är gravitationsvågor. Det är samma krafter som gör att havsnivån stiger och sjunker när månen rör sig runt jorden. Tidvattenkrafter är faktiskt en dold form av gravitationsvågor, säger de.
Först lite bakgrund. Newtons gravitationsteori är baserad på idén att alla massor genererar en attraktiv gravitationskraft som förklarar en mängd olika fenomen: banan för ett fallande äpple, planeternas rörelse runt solen, och så vidare.
Newtons teori förklarar också tidvattnet. Dessa är resultatet av hur gravitationskrafterna varierar med avståndet: den sida av jorden som vetter mot månen upplever en något starkare gravitationskraft än den sida som är vänd bort. Resultatet är en sorts sträckning som drar haven fram och tillbaka när jorden roterar.
Goswami och Ellis börjar med att påpeka att Newtons teori inte redogör för en viktig fysiklag - att ingenting kan färdas snabbare än ljusets hastighet, inte ens gravitationskrafter. Så det tar tid för månens gravitationskrafter att nå jorden. Ingen påverkan kan färdas snabbare än ljusets hastighet: tidvattenpåverkan kan inte vara omedelbar, säger fysikerna.
Einstein formulerade först denna kosmiska hastighetsgräns i sin speciella relativitetsteori och införlivade den senare i sin allmänna teori, som berömt beskriver gravitationen som ett slags förvrängning i rymdtidens struktur. Detta ledde omedelbart till idén att detta tyg kunde stödja vågliknande krusningar.
Goswami och Ellis säger att tidvattenkrafter är en form av gravitationsstrålning. Men för att vara vågor måste de variera i tid på ett speciellt sätt som dikteras av den allmänna relativitetsteorin. Fysikerna fortsätter med att matematiskt visa att tidvattenkrafterna har exakt dessa egenskaper, om än i mycket mindre skala än de vågor som genereras av kollisioner med svarta hål. Resultatet är något av en teknisk detalj, men ändå intressant.
I huvudsak säger Goswami och Ellis att tidvattenkrafter är lågfrekventa gravitationsvågor. Denna teori gör några förutsägelser som skiljer sig från Newtons smak av gravitation. Till exempel påpekar Goswami och Ellis att det borde ta 1,3 sekunder för tidvattenkrafter att färdas från månen till jorden. Och om havet var jämnt djupt överallt utan kontinenter, skulle tidvattnet släpa efter månens position på himlen med 0,66 bågsekunder, säger de. Det är ungefär en slants bredd sett på två kilometers avstånd.
En sådan effekt kan vara mätbar, även om Goswami och Ellis inte utökar sin analys för att föreslå hur. Men det betyder att effekterna av gravitationsvågor är mycket lättare att upptäcka än någon föreställt sig. En dag vid havet, någon?
Ref: arxiv.org/abs/1912.00591 : Tidvattenkrafter är gravitationsvågor