Tröghet

För andra betydelser, se Tröghet (olika betydelser).

Tröghet definieras inom fysiken som motstånd mot rörelseförändring. Begreppets innebörd har utvecklats i takt med naturvetenskapens landvinningar, men dess orsaker är fortfarande okända.

Tröghet är en kortform för "tröghetsprincipen" som den beskrevs av Isaac Newton i hans första rörelselag. I vanligt språkbruk används termen "tröghet" också för att kvalitativt hänvisa till ett föremåls "benägenhet att motstå hastighetsändringar", vilket bestäms av dess massa.

Historik och begreppets framväxt

I Kina

Mozi (kinesiska:墨子, pinyin: Mòzǐ, ca. 470 - 390 f.v.t.) var en filosof som levde i Kina vid tiden för de Hundra skolorna, tidigt under De stridande staternas period. Han sammanställde eller samlade sina tankar i boken Mozi, som innehåller följande mening:

”En rörelses upphörande beror på den motriktade kraften... Om ingen motriktad kraft finns... kommer rörelsen aldrig att upphöra.”

Enligt Joseph Needham är detta en föregångare till Newtons första rörelselag.

Antika och medeltida uppfattningar i väst

Antikens filosofer intresserade sig tidigt för rörelse. Redan på 400-talet före vår tideräkning ville Zenon från Elea med sina paradoxer visa att rörelse var omöjlig. Begreppet tröghet var dock inte påtänkt och det blir en modern övertolkning att skylla den för orsak.

Till Aristoteles kärnpunkter hör hans rörelselära, som är kopplad till kosmologin och definierar tre huvudtyper av rörelse:

1. Naturlig rörelse, a. nedåtriktad mot universums centrum, b. uppåtriktad mot universums periferi eller c. cirkulär
2. Påtvingad rörelse, som den kastade stenens
3. Frivillig avsiktlig rörelse, som endast gäller för levande varelser

Till detta är de fem elementen jord, luft, eld, vatten och kvintessensen kopplade. Tyngd och lätthet såg Aristoteles som uttryck för elementens vilja att återförena sig med den region där de hörde hemma. Elementen strävar alltså efter att uppnå ett viloläge, när de satts i rörelse. Vila blir enligt Aristoteles det naturliga tillståndet för all materia på jorden. Denna elementens vilja fick gälla för tröghet i nästan 2000 år.

Tröghet inom klassisk mekanik

Tröghetsprincipen är ett grundläggande begrepp inom dynamiken, den gren inom mekaniken, som används för att beskriva materiens rörelse och hur den påverkas av krafter:

Varje kropp i ett isolerat system förblir i sitt tillstånd av vila eller konstant rörelse rakt fram, försåvitt den inte tvingas att ändra sin tillvaro av påverkande krafter

I Newtons ekvation

$\ {F=ma}$

(kraft = massa * acceleration)

definieras m som den tröga massan. Tidigt utfördes experiment för att utröna om den tröga massan var densamma som den tunga massan, där den tunga massan definieras genom

$\ {F=G{(m_{1}m_{2}) \over {r^{2}}}}$

eller

$\ {F={m_{1}g}}$

med

$\ {g={Gm_{2} \over r^{2}}}$.

Experimenten kan inte inom felmarginalerna påvisa någon skillnad dessa massor emellan. Detta blev en viktig utgångspunkt för Einstein, när han formulerade sin allmänna relativitetsteori.

Tröghet i relativistisk mekanik och kosmologi

Den matematiska grunden för speciella relativitetsteorin är Lorentztransformationen. Denna är en uppsättning ekvationer som talar om hur tids- och rumskoordinater mäts i olika inertialsystem. Relativitetsteorin utgår från att ljusets hastighet är densamma i alla referenssystem, vilket är tillräckligt för dess härledning. Istället för den klassiska fysikens rörelsemängd, ${\vec {p}}=m{\vec {v}}$, visar Einstein att rörelsemängden i själva verket är ${\vec {p}}=\gamma m{\vec {v}}$, där $\gamma$ är lorentzfaktorn, som beror på hastigheten ${\vec {v}}$. Newtons andra lag med utgångspunkt i tidsvariationen för rörelsemängden gäller även i den speciella relativitetsteorins dynamik och ger då följande uttryck för kraften parallell med rörelseriktningen:

$F={\frac {dp}{dt}}=\gamma ^{3}m{a}$

där m fortfarande är den tröga massan. En kraft vinkelrätt mot rörelseriktningen ändrar inte partikelns fart, endast dess riktning. Rörelsemängdens tidsderivata är i detta fall γma.

Fastän begreppet massa (och därmed även tröghet) fortfarande är i bruk, så finner man - särskilt på ett heuristiskt plan - att inom allmänna relativitetsteorin de väsentliga fysikaliska uttrycken (de som uppträder i Einsteins fältekvationer) är stressenergitensorn och Riccis krökningstensor, så har i viss mening tröghetsbegreppet överskridits. I stressenergitensorn är det dock möjligt att känna igen termer, som är ett mått på masstäthet och energitäthet.

Tolkningar

Kring begreppets sanna natur och inneboende ursprung finns ingen etablerad uppfattning, vilket ger utrymme för spekulationer. Några få ser här en utmaning, som lockar till fortsatta seriösa studier om vad detta i grunden är för något. Beroende på sådan forsknings hemvist kan den befinna sig i tidiga skeden av acceptans, att hänföra till proto- eller marginalvetenskap eller vara mitt i det mest aktualla och uppmärksammade.

Trög massa och massa som ett mått på tröghet

Eftersom Einstein använde trög massa för att beskriva den speciella relativitetsteorin, så är "trög massa" intimt förknippad med "relativistisk massa" och är därför artskild från "vilomassa".

Inertialsystem och referensramar

Vid slutet av sitt liv verkar det som Einstein blivit övertygad om att rumtid är en ny form av eter, som på något sätt tjänar som referensram för egenskapen tröghet (Kostro, 2000).

Tröghetens ursprung enligt mer aktuella teorier

Enligt partikelfysikens standardmodell är elementarpartiklarna praktiskt taget masslösa. Deras massor (och därmed deras tröghet) härrör från Higgsmekanismen via utbyte med ett allt genomträngande Higgsfält. Detta kräver att den ännu icke upptäckta elementarpartikeln, Higgs boson verkligen existerar. Den falang som ser på tröghet som en manifestation av massa, bör därför intressera sig för partikelfysikens ideer om Higgsbosonen. Detta är ett intensivt fält för avancerad forskning och nya rön från Large Hadron Collider lär bli snabbt kommenterade.

Om man däremot är böjd att uppfatta tröghet som en principiell egenskap hos massa, så kan man arbeta efter andra linjer. Antal forskare som kläcker och kommenterar nya idéer här är färre. Det som kommit fram under senare år må betrakta som protovetenskap, men illustrerar hur teoribildningen på området avancerar.

En artikel 2006 av fysikern C. Johan Masreliez föreslog att tröghetsfenomenet kan förklaras, om de metriska koefficienterna i Minkowskis linjeelement skulle ändras som en konsekvens av acceleration, vilket leder till att tröghet kan modelleras som en gravitationell typ av effekt. I två påföljande artiklar argumenterar han för att den speciella relativitetsteorin kan vara förenligt med ett universum som har en fix och unik kosmologisk referensram. Detta leder till en förändrad geometri som är tröghetens ursprung och den påstås alstra tröghetskraften. Han har sedan utvecklat detta uppslag vidare i ytterligare tre pärgranskade artiklar, näst senast 2009.

Om dessa nya tankar stämmer, skulle tröghet kunna vara en egenskap som förbinder den speciella med den allmänna relativitetsteorin. Denna möjlighet har dock ännu (jan. 2010) inte väckt respons i vetenskapssamhället.

Ett annat upplägg har föreslagits av Emil Marinchev (2002) .

Se även

• Tröghetsmoment
• Inertialsystem
• Tröghetsnavigering
• Profilograf