Když přemýšlíme o gravitaci, obvykle si ji představujeme jako sílu mezi hmotami. Když například stoupnete na váhu, číslo na váze představuje přitažlivost zemské gravitace na vaši hmotnost, která vám dává váhu. Je snadné si představit gravitační sílu Slunce, která drží planety na jejich oběžných drahách, nebo gravitační sílu černé díry. Síly je snadné chápat jako tlaky a tahy.

Nyní však chápeme, že gravitace jako síla je pouze součástí složitějšího jevu popsaného obecnou teorií relativity. I když je obecná teorie relativity elegantní teorií, je radikálním odklonem od představy gravitace jako síly. Jak jednou řekl Carl Sagan: „Mimořádná tvrzení vyžadují mimořádné důkazy.“ A Einsteinova teorie je velmi mimořádné tvrzení. Ukazuje se však, že existuje několik mimořádných experimentů, které zakřivení prostoru a času potvrzují.

Klíč k obecné teorii relativity spočívá v tom, že vše v gravitačním poli padá stejnou rychlostí. Postavte se na Měsíc a upusťte kladivo a pírko, dopadnou na povrch ve stejnou dobu. Totéž platí pro jakýkoli objekt bez ohledu na jeho hmotnost nebo fyzikální složení, a to je známé jako princip ekvivalence.

Protože vše padá stejně bez ohledu na svou hmotnost, znamená to, že bez nějakého vnějšího vztažného bodu mají volně se pohybující pozorovatel daleko od gravitačních zdrojů a volně padající pozorovatel v gravitačním poli hmotného tělesa každý stejnou zkušenost. Například astronauti na vesmírné stanici vypadají, jako by se vznášeli bez gravitace. Ve skutečnosti je gravitační přitažlivost Země na vesmírné stanici téměř stejně silná jako na povrchu. Rozdíl je v tom, že vesmírná stanice (a vše v ní) padá. Vesmírná stanice je na oběžné dráze, což znamená, že doslova padá kolem Země.

Tuto ekvivalenci mezi vznášením a pádem použil Einstein k vytvoření své teorie. V obecné teorii relativity není gravitace silou mezi hmotami. Místo toho je gravitace důsledkem pokřivení prostoru a času v přítomnosti hmoty. Bez působení síly se objekt bude pohybovat přímočaře. Pokud nakreslíte na list papíru čáru a pak papír zkroutíte nebo ohnete, čára se již nebude jevit jako přímá. Stejně tak se ohýbá přímá dráha objektu, když se ohýbá prostor a čas. To vysvětluje, proč všechny objekty padají stejnou rychlostí. Gravitace deformuje prostoročas určitým způsobem, takže přímé dráhy všech objektů jsou v blízkosti Země ohnuty stejným způsobem.

Jaký experiment by tedy mohl dokázat, že gravitace je deformovaný prostoročas? Jeden vychází ze skutečnosti, že světlo může být vychýleno blízkou hmotou. Často se tvrdí, že jelikož světlo nemá hmotnost, nemělo by být vychýleno gravitační silou tělesa. To není zcela správné. Protože světlo má energii a podle speciální teorie relativity jsou hmotnost a energie ekvivalentní, Newtonova gravitační teorie předpovídá, že světlo bude blízkou hmotou mírně vychýleno. Rozdíl je v tom, že obecná teorie relativity předpovídá, že bude vychýleno dvakrát více.

Efekt poprvé pozoroval Arthur Eddington v roce 1919. Eddington se vydal na ostrov Principe u pobřeží západní Afriky, aby vyfotografoval úplné zatmění. Stejnou oblast oblohy vyfotografoval již někdy předtím. Porovnáním fotografií ze zatmění a dřívějších snímků téže oblohy Eddington dokázal ukázat, že se zdánlivá poloha hvězd posunula, když bylo Slunce blízko. Velikost vychýlení souhlasila s Einsteinem, nikoli s Newtonem. Od té doby pozorujeme podobný efekt, kdy je světlo vzdálených kvazarů a galaxií vychýleno bližšími hmotami. Tento jev se často označuje jako gravitační čočkování a byl použit k měření hmotností galaxií, a dokonce k pozorování účinků temné hmoty.

Další důkaz je známý jako experiment s časovým zpožděním. Hmotnost Slunce deformuje prostor v jeho blízkosti, proto se světlo procházející v blízkosti Slunce nepohybuje po dokonale přímce. Místo toho se pohybuje po mírně zakřivené dráze, která je o něco delší. To znamená, že světlo z planety na druhé straně sluneční soustavy než Země k nám dorazí o něco později, než bychom jinak očekávali. První měření tohoto zpoždění provedl koncem 60. let minulého století Irwin Shapiro. Rádiové signály se od Venuše odrážely od Země v době, kdy se obě planety nacházely téměř na opačných stranách Slunce. Naměřené zpoždění oběhu signálů bylo asi 200 mikrosekund, přesně jak předpovídá obecná teorie relativity. Tento efekt je nyní znám jako Shapirovo časové zpoždění a znamená, že průměrná rychlost světla (určená dobou cesty) je o něco nižší než (vždy konstantní) okamžitá rychlost světla.

Třetím efektem jsou gravitační vlny. Pokud hvězdy deformují prostor kolem sebe, pak by pohyb hvězd ve dvojhvězdném systému měl vytvářet vlnění v časoprostoru, podobně jako víření prstu ve vodě může vytvářet vlnění na vodní hladině. Když gravitační vlny vyzařují od hvězd, odebírají dvojhvězdnému systému část energie. To znamená, že se obě hvězdy postupně přibližují k sobě, což je efekt známý jako inspirace. Jak obě hvězdy inspirují, jejich oběžná perioda se zkracuje, protože jejich oběžné dráhy se zmenšují.

U běžných dvojhvězd je tento efekt tak malý, že jej nemůžeme pozorovat. V roce 1974 však dva astronomové (Hulse a Taylor) objevili zajímavý pulsar. Pulzary jsou rychle rotující neutronové hvězdy, které shodou okolností vyzařují rádiové pulzy naším směrem. Pulsní frekvence pulsarů je obvykle velmi, velmi pravidelná. Hulse a Taylor si všimli, že u tohoto konkrétního pulzaru se frekvence mírně zrychluje a pak se v pravidelných intervalech mírně zpomaluje. Ukázali, že toto kolísání je způsobeno pohybem pulzaru při jeho oběhu kolem hvězdy. Podařilo se jim velmi přesně určit oběžný pohyb pulzaru a vypočítat jeho oběžnou periodu s přesností na zlomek sekundy. Když v průběhu let pozorovali svůj pulsar, všimli si, že se jeho oběžná doba postupně zkracuje. Pulzar se inspiruje v důsledku vyzařování gravitačních vln, přesně jak bylo předpovězeno.

Nakonec je zde efekt známý jako přetahování rámce. Tento efekt jsme pozorovali v blízkosti samotné Země. Protože se Země otáčí, nejenže svou hmotností zakřivuje časoprostor, ale díky své rotaci ho kolem sebe i kroutí. Toto zkroucení časoprostoru se nazývá „frame dragging“. Tento efekt není v blízkosti Země příliš velký, ale lze jej měřit pomocí efektu Lense-Thirring. V podstatě umístíte kulový gyroskop na oběžnou dráhu a sledujete, zda se změní jeho osa otáčení. Pokud nedochází k rámovému přetahování, pak by se orientace gyroskopu neměla měnit. Pokud dochází k rámovému přetahování, pak spirálové zkroucení prostoru a času způsobí, že gyroskop bude precesovat a jeho orientace se bude v průběhu času pomalu měnit.

Tento experiment jsme skutečně provedli s družicí známou jako Gravity Probe B a výsledky můžete vidět na obrázku zde. Jak vidíte, velmi dobře se shodují.

Každý z těchto experimentů ukazuje, že gravitace není jen síla mezi hmotami. Gravitace je naopak působením prostoru a času. Gravitace je zabudována do samotného tvaru vesmíru.

Přemýšlejte o tom, až příště vstoupíte na váhu.

.