Ett äpple föll förmodligen inte riktigt ner i huvudet på Sir Isaac Newton år 1665, vilket gav honom en lös upplysning om naturen hos fallande kroppar. Och när du ändå håller på, glöm vad du lärde dig om gravitation i skolan. Det är inte så det verkligen fungerar. Men ta inte vårt ord för givet. Låt de främsta utmanarna i gravitationsteorins historia duellera själva.
Runda 1: Newton
”Gravitationen existerar verkligen”, konstaterade Newton 1687. ” Verkar enligt de lagar som vi har förklarat, och tjänar rikligt till att förklara alla himlakropparnas rörelser”. Före Newton hade ingen hört talas om gravitation, än mindre om begreppet universell lag.
Cambridge University, där Newton studerade, stängdes på grund av pest 1665. Den 23-årige mannen hittade en fristad i sitt barndomshem och kastade sig in i månader av febrigt matematiskt brainstorming. Detta, plus en tvivelaktig äppelstigning i fruktträdgården på baksidan, lade grunden till hans mästerverk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. I Principia beskrev Newton gravitationen som en ständigt närvarande kraft, ett drag som alla föremål utövar på närliggande föremål. Ju mer massa ett föremål har, desto starkare blir dragkraften. Om avståndet mellan två objekt ökar, försvagas dragningskraften.
Principias matematiska förklaringar av dessa förhållanden var enkla och ytterst behändiga. Med sina ekvationer kunde Newton för första gången förklara varför månen håller sig i en bana runt jorden. Än i dag använder vi Newtons matematik för att förutsäga banan för ett softballkast eller för astronauter som landar på månen. Faktum är att alla vardagliga observationer av gravitationen på jorden och i himlen kan förklaras ganska exakt med Newtons teori.
Okej, vi köper det. Men hur fungerar det?
Hallå?
Tystnad från Newtons hörn av ringen.
Sanningen är att Newton kunde beskriva gravitationen, men han visste inte hur den fungerade. ”Gravitationen måste orsakas av en agent som ständigt agerar enligt vissa lagar”, medgav han. ”Men huruvida detta agens är materiellt eller immateriellt har jag överlåtit åt mina läsare att fundera över.”
I 300 år var det ingen som verkligen funderade på vad detta agens kunde vara. Kanske var alla möjliga utmanare skrämda av Newtons genialitet. Mannen uppfann kalkylen, för Guds skull.
Ding. Rond 2: Einstein
Oppenbarligen var Albert Einstein inte skrämd. Han bad till och med om ursäkt. ”Newton, förlåt mig”, skrev han i sina memoarer. ”Du hittade den enda väg som i din ålder var precis möjlig för en man med högsta tankeförmåga och skapande kraft.”
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem
1915, efter åtta års sortering av sina tankar, hade Einstein drömt upp (bokstavligen – han hade inga experimentella föregångare) ett medel som orsakade gravitation. Och det var inte bara en kraft. Enligt hans teori om den allmänna relativitetsteorin är gravitationen mycket konstigare: en naturlig följd av en massas inflytande på rummet.
Einstein höll med Newton om att rummet hade dimensioner: bredd, längd och höjd. Rymden kunde vara fylld med materia eller inte. Men Newton trodde inte att rymden påverkades av föremålen i den. Einstein gjorde det. Han teoretiserade att en massa kan prod rymden mycket. Den kan förvränga den, böja den, trycka på den eller dra i den. Gravitationen var bara ett naturligt resultat av en massas existens i rymden (Einstein hade med sin speciella relativitetsteori från 1905 lagt till tiden som en fjärde dimension till rymden och kallat resultatet för rumtid. Stora massor kan också förvränga tiden genom att påskynda den eller bromsa den).
Du kan visualisera Einsteins gravitationsförvrängning genom att kliva på en trampolin. Din massa orsakar en fördjupning i rymdens stretchiga tyg. Rulla en boll förbi varpen vid dina fötter och den kröker sig mot din massa. Ju tyngre du är, desto mer kröker du rymden. Titta på trampolinens kanter – varpen minskar längre bort från din massa. På så sätt förklaras (och förutsägs matematiskt med bättre precision) samma newtonska förhållanden, men genom en annan lins, nämligen den förvridna rymden. Ta det där, Newton, säger Einstein. Med beklagande.
Einsteins teori slog också triumferande hål på Newtons logik. Om gravitationen, som Newton hävdade, var en konstant, ögonblicklig kraft, skulle informationen om en plötslig förändring av massan på något sätt behöva kommuniceras över hela universum på en gång. Detta var föga logiskt för Einstein. Om solen plötsligt försvann måste signalen till planeterna att sluta kretsa i omloppsbana logiskt sett ta en viss restid, enligt hans resonemang. Och det skulle definitivt ta längre tid att nå fram till Pluto än till Mars. Det finns inget universellt ögonblickligt med detta överhuvudtaget.
Vad föreslog Einstein som det saknade kommunikationsmedlet? Återigen, hans mycket användbara rymdvarp. Ungefär som en sten som kastas i en damm kommer en förändring av massan att orsaka en krusning i rymden som reser ut från sin källa i alla riktningar med ljusets hastighet. När den rör sig framåt pressar och sträcker krusningen ut rymden. Vi kallar en sådan störning för en gravitationsvåg.
Med detta sista slag förklarade Einsteins allmänna relativitetsteori allt som Newtons teori gjorde (och vissa saker som den inte gjorde), och bättre. ”Jag är helt nöjd”, sade Einstein 1919. ”Jag tvivlar inte längre på att hela systemet är korrekt.”
I denna runda seger för Einstein.
Ding. Rond 3: Nästa våg
Einstein må ha förutspått gravitationsvågor, men han hade föga tilltro till att forskarna någonsin skulle upptäcka dem. Gravitationsvågor klämmer och sträcker rymden endast i liten utsträckning. Faktum är att det är löjligt, fruktansvärt, nästan omöjligt litet: ett avstånd som är hundratals miljoner gånger mindre än en atom.
Hittills har Einstein haft rätt. Det har gått åtta decennier sedan han introducerade den allmänna relativitetsteorin, och en gravitationsvåg har ännu inte upptäckts. Det var inte förrän 1974 som forskarna ens kom nära. Det året analyserade två radioastronomer, Joseph Taylor och Russell Hulse, ett par neutronstjärnor (supertäta kollapsade stjärnor) som kretsar kring varandra. Hulse och Taylor insåg att omloppen accelererade i en takt som Einstein förutspådde skulle inträffa om gravitationsvågor verkligen genererades av systemet. Det första indirekta beviset för gravitationsvågor var i, men vågorna i sig mättes inte direkt.
Och även om vilket objekt som helst kan generera gravitationsvågor, är det bara extremt massiva objekt som producerar förvrängningar i rymden som är tillräckligt stora för att kunna mätas. Sådana gigantiska förändringar i massan finns bara i rymden, till exempel i kretsande neutronstjärnor, kolliderande svarta hål eller supernovor. Forskare söker nu efter vågor från dessa källor med ett av de mest exakta vetenskapliga instrument som någonsin tillverkats: LIGO, Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory. LIGO är gigantiskt, smart och udda, och det tog mer än 365 miljoner dollar och 30 år att utveckla det. Dess förmåga att mäta infinitesimala avstånd kan bidra till att sätta ”upptäckten” av gravitationsvågor på förstasidan i alla tidningar när som helst och förebåda nästa stora omgång i vår förståelse av gravitation.
Relaterade länkar
NOVA:s The Elegant Universe
Tidigare gravitationshistoria
Visa Einsteins allmänna relativitetspapper och en bild av rymdvarv
