Denne artikel er skrevet af David Lyth fra Lancaster University og blev oprindeligt offentliggjort af The Conversation.

Tyngdekraften binder vores kroppe til planeten Jorden, men den definerer ikke grænserne for det svævende menneskelige sind. I november 1915 – for præcis et århundrede siden – blev dette bevist, da Albert Einstein i en række foredrag på det preussiske videnskabsakademi fremlagde en teori, der ville revolutionere vores syn på tyngdekraften – og selve fysikken. I to århundreder havde Newtons bemærkelsesværdigt enkle og elegante teori om universel tyngdekraft tilsyneladende forklaret tingene godt. Men som det i stigende grad er tilfældet inden for fysikken, er det enkle ikke længere nok.

Einsteins udgangspunkt for den generelle relativitetsteori var hans specielle relativitetsteori, som blev offentliggjort i 1905. Den forklarede, hvordan man kunne formulere fysikkens love i fravær af tyngdekraften. I centrum for begge teorier er en beskrivelse af rum og tid, der er anderledes end den, som den sunde fornuft ville foreslå.

Teorierne forklarer, hvordan man fortolker bevægelse mellem forskellige steder, der bevæger sig med konstante hastigheder i forhold til hinanden – i stedet for i forhold til en slags absolut æter (som Newton havde antaget). Selv om fysikkens love er universelle, hedder det, vil forskellige seere opfatte begivenhedernes timing forskelligt alt efter, hvor hurtigt de bevæger sig. En begivenhed, der ser ud til at tage 1.000 år, når den ses fra Jorden, kan for en person i et rumfartøj, der rejser med stor hastighed, se ud til kun at tage et sekund.

Det centrale i Einsteins teorier er det faktum, at lysets hastighed er uafhængig af bevægelsen hos den observatør, der måler hastigheden. Det er mærkeligt, for den sunde fornuft siger, at hvis man sidder i sin bil langs et jernbanespor, vil et tog, der passerer forbi, synes at bevæge sig meget hurtigere, end hvis man følger det i samme retning.

Men hvis man i stedet sidder og ser en lysstråle passere, vil den bevæge sig lige hurtigt, uanset om man følger den eller ej – et klart tegn på, at der er noget galt med den sunde fornuft.

Indviklingen af denne teori er, at vi må opgive ideen om, at der findes en universel tid, og acceptere, at den tid, der registreres af et ur, afhænger af dets bane, mens det bevæger sig gennem universet. Det betyder også, at tiden går langsommere, når det går hurtigt, hvilket betyder, at en tvilling, der rejser ud i rummet, vil ældes langsommere end sin søskende tilbage på Jorden.

Dette “tvillingparadoks” kan virke som en matematisk finurlighed, men det blev faktisk eksperimentelt verificeret i 1971 i et forsøg med atomure på kommercielle flyvninger.

Den specielle relativitetsteori virker kun for inertialrammer, der bevæger sig relativt til hinanden, hvis de bevæger sig med konstant hastighed – den kan ikke beskrive, hvad der sker, hvis de accelererer. Einstein spekulerede på, hvordan man kunne udvide den til at omfatte en sådan acceleration og tage højde for tyngdekraften, som forårsager acceleration og trods alt findes overalt.

Han indså, at tyngdekraftens virkning forsvinder, hvis man ikke forsøger at overvinde den. Han forestillede sig mennesker i en elevator, hvis kabel var knækket i frit fald og regnede ud, at eftersom genstandene enten ville svæve ubevægeligt eller med konstant hastighed, ville menneskene ikke mærke tyngdekraften. Men i dag ved vi, at dette er sandt, da vi selv har set det hos mennesker på den internationale rumstation. I begge tilfælde er der ingen kræfter, der modvirker tyngdekraftens virkning, og personerne oplever ingen tyngdekraft.

Kurvet rumtid. Mopic

Einstein indså også, at virkningen af tyngdekraften er den samme som virkningen af acceleration; at køre af sted med høj hastighed skubber os baglæns, ligesom hvis tyngdekraften trak os. Disse to ledetråde førte Einstein til den generelle relativitetsteori. Hvor Newton havde set tyngdekraften som en kraft, der spredes mellem legemer, beskrev Einstein den som en pseudokraft, der opleves, fordi hele det sammenvævede stof af rum og tid bøjes omkring et massivt objekt.

Einstein selv sagde, at hans vej var langt fra let. Han skrev, at “i hele mit liv har jeg ikke arbejdet nær så hårdt, og jeg er blevet gennemsyret af stor respekt for matematikken, hvis finere del jeg i min enfoldighed indtil nu havde betragtet som ren luksus”.

Beviserne

Så snart Einstein havde opdaget den generelle relativitetsteori, indså han, at den forklarer Newtons teoris manglende evne til at forklare Merkurs bane. Banen er ikke helt cirkulær, hvilket betyder, at der er et punkt, hvor den er tættest på solen. Newtons teori forudsiger, at dette punkt er fast, men observationer viser, at det roterer langsomt rundt om solen, og Einstein fandt ud af, at den generelle relativitetsteori beskriver rotationen korrekt.

“Jeg var helt ude af mig selv af glædelig begejstring,” skrev han nogle måneder senere. Siden da har den generelle relativitetsteori bestået mange observationsprøver med bravur.

Du bruger den generelle relativitetsteori, når du påberåber dig GPS-systemet for at finde ud af din position på Jordens overflade. Dette system udsender radiosignaler fra 24 satellitter, og GPS-modtageren i din telefon eller bil analyserer tre eller flere af disse signaler for at finde ud af din position ved hjælp af den generelle relativitetsteori. Hvis du havde brugt Newtons teori, ville GPS-systemet have givet den forkerte position.

Men mens den generelle relativitetsteori fungerer godt til at beskrive den fysiske verden på store skalaer, har kvantemekanikken udviklet sig til at være den mest succesfulde teori for små partikler som dem, der indgår i et atom. Ligesom relativitetsteorierne er kvantemekanikken kontraintuitiv. Det er endnu uvist, om det er muligt at forene de to, men det er usandsynligt, at det vil genindføre den sunde fornuft i fysikken.

David Lyth, professor emeritus i fysik, Lancaster University.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort af The Conversation. Læs den originale artikel.