Et faldt nok ikke rigtig ned i hovedet på Sir Isaac Newton i 1665, og slog løs oplysning om naturen af faldende legemer. Og mens du er i gang, så glem alt hvad du lærte om tyngdekraften i skolen. Det er ikke sådan, det virkelig fungerer. Men du skal ikke tage vores ord for det. Lad hovedkæmperne i gravitationsteoriens historie dyste selv.
Runde 1: Newton
“Tyngdekraften eksisterer virkelig,” erklærede Newton i 1687. ” virker i henhold til de love, som vi har forklaret, og tjener rigeligt til at forklare alle himmellegemernes bevægelser.” Før Newton havde ingen hørt om tyngdekraften, endsige begrebet om en universel lov.
Cambridge University, hvor Newton studerede, blev lukket på grund af pest i 1665. Den 23-årige fandt et fristed i sit barndomshjem og kastede sig ud i måneders feberagtig matematisk brainstorming. Dette, plus en tvivlsom æbleafstamning i den bagvedliggende frugtplantage, lagde grunden til hans mesterværk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. I Principia beskrev Newton tyngdekraften som en allestedsnærværende kraft, et træk, som alle objekter udøver på nærliggende objekter. Jo mere masse et objekt har, jo stærkere er dets træk. Hvis afstanden mellem to objekter øges, svækkes tiltrækningen.
Principia’s matematiske forklaringer på disse forhold var enkle og yderst praktiske. Med sine ligninger kunne Newton for første gang forklare, hvorfor månen forbliver i kredsløb om Jorden. Den dag i dag bruger vi Newtons matematik til at forudsige banen for et kast med en softball eller for astronauter, der lander på Månen. Faktisk kan alle hverdagsobservationer af tyngdekraften på Jorden og i himlen forklares ret præcist med Newtons teori.
Okay, vi køber den. Men hvordan virker det?
Hej?
Stilhed fra Newtons hjørne af ringen.
Sandheden er, at Newton kunne beskrive tyngdekraften, men han vidste ikke, hvordan den virkede. “Tyngdekraften må være forårsaget af et middel, der konstant virker i henhold til visse love,” indrømmede han. “Men om dette middel er materielt eller immaterielt, har jeg overladt til mine læsere at overveje.”
I 300 år var der ingen, der virkelig overvejede, hvad dette middel kunne være. Måske blev alle mulige kandidater intimideret af Newtons genialitet. Manden opfandt regnearket, for pokker.
Ding. Runde 2: Einstein
Albert Einstein var tilsyneladende ikke skræmt. Han undskyldte endda. “Newton, tilgiv mig,” skrev han i sine erindringer. “Du fandt den eneste vej, som i din alder var lige akkurat mulig for en mand med den højeste tankevirksomhed og skaberkraft.”
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem
I 1915, efter otte års sortering af sine tanker, havde Einstein drømt (bogstaveligt talt – han havde ingen eksperimentelle forløbere) om et middel, der forårsagede tyngdekraften. Og det var ikke blot en kraft. Ifølge hans teori om den generelle relativitetsteori er tyngdekraften meget mærkeligere: en naturlig konsekvens af en masses indflydelse på rummet.
Einstein var enig med Newton i, at rummet havde dimensioner: bredde, længde og højde. Rummet kunne være fyldt med stof, eller også kunne det ikke være det. Men Newton mente ikke, at rummet blev påvirket af de genstande, der var i det. Det gjorde Einstein. Han teoretiserede, at en masse kan prod rummet rigeligt. Den kan forvrænge det, bøje det, skubbe det eller trække det. Tyngdekraften var blot et naturligt resultat af en masses eksistens i rummet (Einstein havde med sin specielle relativitetsteori fra 1905 tilføjet tid som en fjerde dimension til rummet og kaldte resultatet for rumtid. Store masser kan også forvrænge tiden ved at fremskynde den eller bremse den).
Du kan visualisere Einsteins tyngdekraftforvridning ved at træde på en trampolin. Din masse forårsager en fordybning i rummets elastiske stof. Rul en bold forbi warpen ved dine fødder, og den vil bøje sig mod din masse. Jo tungere du er, jo mere bøjer du rummet. Kig på trampolinens kanter – warpen bliver mindre og mindre længere væk fra din masse. Således forklares de samme newtonske forhold (og forudsiges matematisk med større præcision), men gennem en anden optik med et forvredet rum. Tag det, Newton, siger Einstein. Med beklagelse.
Einsteins teori slog også triumferende et hul i Newtons logik. Hvis tyngdekraften, som Newton hævdede, var en konstant, øjeblikkelig kraft, skulle informationen om en pludselig masseændring på en eller anden måde kommunikeres ud over hele universet på én gang. Det gav ikke meget mening for Einstein. Hvis Solen pludselig forsvandt, skulle signalet til planeterne om at stoppe deres kredsløb logisk set tage en vis rejsetid, hvis solen pludselig forsvandt. Og det ville helt sikkert tage længere tid at nå frem til Pluto end til Mars. Der er slet ikke noget universelt øjeblikkeligt ved det.
Hvad foreslog Einstein som det manglende kommunikationsmiddel? Indtast, igen, hans meget nyttige rumforvrængning. Ligesom en sten, der kastes i en dam, vil en ændring i massen forårsage en bølge i rummet, der bevæger sig ud fra kilden i alle retninger med lysets hastighed. Når den bevæger sig fremad, klemmer og strækker krusningen rummet. Vi kalder en sådan forstyrrelse for en gravitationsbølge.
Med dette sidste slag forklarede Einsteins generelle relativitetsteori alt det, som Newtons teori gjorde (og nogle ting, som den ikke gjorde), og endnu bedre. “Jeg er fuldt ud tilfreds,” sagde Einstein i 1919. “Jeg tvivler ikke længere på, at hele systemet er korrekt.”
I denne runde er det Einstein, der vinder.
Ding. 3. runde: Den næste bølge
Einstein forudsagde måske nok gravitationsbølger, men han havde ikke megen tiltro til, at forskerne nogensinde ville opdage dem. Gravitationsbølger klemmer og strækker rummet kun en lille smule. Faktisk er det latterligt, forfærdeligt, næsten umuligt lille: en afstand, der er hundreder af millioner af gange mindre end et atom.
Så langt har Einstein haft ret. Det er otte årtier siden, han introducerede den generelle relativitetsteori, og en gravitationsbølge er endnu ikke blevet opdaget. Det var først i 1974, at forskerne kom så tæt på. Det år var to radioastronomer, Joseph Taylor og Russell Hulse, i gang med at analysere et par neutronstjerner (supertætte kollapsede stjerner), der kredser om hinanden. Hulse og Taylor opdagede, at kredsløbene blev hurtigere med en hastighed, som Einstein havde forudsagt, hvis gravitationsbølger faktisk blev genereret af systemet. Det første indirekte bevis for gravitationsbølger var i, men bølgerne selv blev ikke direkte målt.
Selv om ethvert objekt kan generere gravitationsbølger, er det kun ekstremt massive objekter, der producerer forvridninger af rummet, der er store nok til at kunne måles. Sådanne gigantiske ændringer i masse findes kun i rummet, f.eks. neutronstjerner i kredsløb, sorte huller, der kolliderer med hinanden, eller supernovaer. Forskere søger nu efter bølger, der stammer fra disse kilder, med et af de mest præcise videnskabelige instrumenter, der nogensinde er blevet fremstillet: LIGO, Laser Interferometer Gravitationsbølgeobservatoriet (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). LIGO er gigantisk, smart og mærkeligt udseende, og det tog mere end 365 millioner dollars og 30 år at udvikle det. Dets evne til at måle uendeligt små afstande kan være med til at sætte “opdagelsen” af gravitationsbølger på forsiden af alle aviser når som helst og varsle den næste store runde i vores forståelse af tyngdekraften.
Relaterede links
NOVA’s The Elegant Universe
Timeline over gravitationens historie
Se Einsteins generelle relativitetsteori og et billede af rumvindingen
