Denna artikel är skriven av David Lyth från Lancaster University och publicerades ursprungligen av The Conversation.

Gravitationen binder våra kroppar till planeten Jorden, men den definierar inte gränserna för den mänskliga hjärnan. I november 1915 – för exakt hundra år sedan – bevisades detta när Albert Einstein i en serie föreläsningar vid den preussiska vetenskapsakademin presenterade en teori som skulle komma att revolutionera vår syn på gravitation – och själva fysiken. Under två århundraden hade Newtons anmärkningsvärt enkla och eleganta teori om universell gravitation tyckts förklara saken väl. Men, som det är alltmer sant inom fysiken, räcker det enkla inte längre.

Einsteins utgångspunkt för den allmänna relativitetsteorin var hans speciella relativitetsteori, som publicerades 1905. Denna förklarade hur man formulerade fysikens lagar i avsaknad av gravitation. I centrum för båda teorierna står en beskrivning av rum och tid som skiljer sig från den som det sunda förnuftet skulle föreslå.

Teorierna förklarar hur man ska tolka rörelser mellan olika platser som rör sig med konstanta hastigheter i förhållande till varandra – snarare än i förhållande till något slags absolut eter (som Newton hade antagit). Även om fysikens lagar är universella, sägs det, kommer olika betraktare att se händelsernas tidpunkt på olika sätt beroende på hur snabbt de färdas. En händelse som verkar ta 1 000 år när den betraktas från jorden kan tyckas ta bara en sekund för någon i en rymdfarkost som färdas med stor hastighet.

I centrum för Einsteins teorier står det faktum att ljusets hastighet är oberoende av rörelsen hos den observatör som mäter hastigheten. Detta är märkligt, eftersom sunt förnuft antyder att om du sitter i din bil längs ett järnvägsspår kommer ett tåg som passerar att tyckas röra sig mycket snabbare än om du följer det i samma riktning.

Men om du i stället sitter och tittar på en ljusstråle som passerar skulle den röra sig lika snabbt oavsett om du följde den eller inte – en tydlig indikation på att det är något som inte stämmer med det sunda förnuftet.

Den här teorin innebär att vi måste ge upp idén om att det finns en universell tid och acceptera att den tid som registreras av en klocka beror på dess bana när den rör sig genom universum. Detta innebär också att tiden går långsammare när det går fort, vilket innebär att en tvilling som åker till rymden kommer att åldras långsammare än sitt syskon på jorden.

Denna “tvillingparadox” kan tyckas vara ett matematiskt knep, men den verifierades faktiskt experimentellt 1971 i ett experiment där man använde atomklockor på kommersiella flygningar.

Den speciella relativitetsteorin fungerar bara för tröghetsramar som rör sig i förhållande till varandra om de rör sig med konstant hastighet – den kan inte beskriva vad som händer om de accelerar. Einstein undrade hur man skulle kunna utvidga den för att inkludera sådan acceleration och tillåta gravitation, som orsakar acceleration och som trots allt finns överallt.

Han insåg att gravitationens effekt försvinner om man inte försöker övervinna den. Han föreställde sig människor i en hiss vars kabel hade brutits i fritt fall och räknade ut att eftersom föremålen antingen skulle sväva orörliga eller med konstant hastighet skulle människorna inte känna gravitationen. Men numera vet vi att detta är sant eftersom vi själva har sett det hos människor på den internationella rymdstationen. I båda fallen finns det inga krafter som motverkar gravitationseffekten och människorna upplever ingen gravitation.

Kurvad rymdtid. Mopic

Einstein insåg också att effekten av gravitation är densamma som effekten av acceleration; att köra iväg i hög hastighet pressar oss bakåt, precis som om gravitationen drar oss. Dessa två ledtrådar ledde Einstein till den allmänna relativitetsteorin. Medan Newton hade sett gravitationen som en kraft som fortplantar sig mellan kroppar, beskrev Einstein den som en pseudokraft som upplevs eftersom hela den sammanvävda väven av rum och tid böjer sig runt ett massivt objekt.

Einstein själv sa att hans väg var långt ifrån lätt. Han skrev att “under hela mitt liv har jag inte arbetat så hårt, och jag har fått stor respekt för matematiken, vars subtilare del jag i min enfald hade betraktat som ren lyx fram till nu”.

Bevisen

Sedan Einstein upptäckte den allmänna relativitetsteorin insåg han att den förklarar Newtons misslyckande med att förklara Merkurius omloppsbana. Banan är inte helt cirkulär, vilket innebär att det finns en punkt där den är närmast solen. Newtons teori förutsäger att denna punkt är fast, men observationer visar att den långsamt roterar runt solen och Einstein fann att den allmänna relativitetsteorin korrekt beskriver rotationen.

“Jag var utom mig av glädje och spänning”, skrev han några månader senare. Sedan dess har den allmänna relativitetsteorin klarat många observationstester med bravur.

Du använder dig av den allmänna relativitetsteorin när du åberopar GPS-systemet för att ta reda på din position på jordens yta. Systemet sänder ut radiosignaler från 24 satelliter och GPS-mottagaren i din telefon eller bil analyserar tre eller fler av dessa signaler för att räkna ut din position med hjälp av den allmänna relativitetsteorin. Om du hade använt Newtons teori skulle GPS-systemet ha gett fel position.

Men medan den allmänna relativitetsteorin fungerar bra för att beskriva den fysiska världen i stora skalor har kvantmekaniken visat sig vara den mest framgångsrika teorin för små partiklar, t.ex. de som ingår i en atom. Precis som relativitetsteorierna är kvantmekaniken kontraintuitiv. Huruvida det är möjligt att förena de två återstår att se, men det är osannolikt att det återinför sunt förnuft i fysiken.

David Lyth, professor emeritus i fysik, Lancaster University.

Den här artikeln publicerades ursprungligen av The Conversation. Läs den ursprungliga artikeln.