Når vi tænker på tyngdekraften, tænker vi typisk på den som en kraft mellem masser. Når du f.eks. træder på en vægt, repræsenterer tallet på vægten den tiltrækning, som jordens tyngdekraft udøver på din masse, hvilket giver dig vægt. Det er let at forestille sig Solens tyngdekraft, der holder planeterne i deres baner, eller tyngdekraften fra et sort hul. Kræfter er lette at forstå som skub og træk.

Men vi forstår nu, at tyngdekraften som en kraft kun er en del af et mere komplekst fænomen, der beskrives i den generelle relativitetsteori. Selv om den generelle relativitetsteori er en elegant teori, er den en radikal afvigelse fra ideen om tyngdekraften som en kraft. Som Carl Sagan engang sagde: “Ekstraordinære påstande kræver ekstraordinære beviser”, og Einsteins teori er en meget ekstraordinær påstand. Men det viser sig, at der er flere ekstraordinære eksperimenter, der bekræfter krumningen af rum og tid.

Nøglen til den generelle relativitetsteori ligger i det faktum, at alt i et gravitationsfelt falder med samme hastighed. Stå på Månen og slip en hammer og en fjer, og de vil ramme overfladen på samme tid. Det samme gælder for ethvert objekt uanset dets masse eller fysiske sammensætning, og dette er kendt som ækvivalensprincippet.

Da alt falder på samme måde uanset dets masse, betyder det, at uden et eksternt referencepunkt har en frit svævende observatør langt fra gravitationskilder og en frit faldende observatør i et massivt legemes gravitationsfelt hver især den samme oplevelse. F.eks. ser astronauter i rumstationen ud, som om de svæver uden tyngdekraft. I virkeligheden er Jordens tyngdekraft på rumstationen næsten lige så stærk som på jordoverfladen. Forskellen er, at rumstationen (og alt i den) falder. Rumstationen er i kredsløb, hvilket betyder, at den bogstaveligt talt falder rundt om Jorden.

Denne ækvivalens mellem at svæve og falde er det, Einstein brugte til at udvikle sin teori. I den generelle relativitetsteori er tyngdekraften ikke en kraft mellem masser. I stedet er tyngdekraften en effekt af forvrængningen af rum og tid i tilstedeværelsen af masse. Uden en kraft, der virker på det, vil et objekt bevæge sig i en lige linje. Hvis man tegner en linje på et stykke papir og derefter vrider eller bøjer papiret, vil linjen ikke længere fremstå lige. På samme måde bliver et objekts lige vej bøjet, når rum og tid bøjes. Dette forklarer, hvorfor alle genstande falder med samme hastighed. Tyngdekraften forvrænger rumtiden på en bestemt måde, så alle objekters lige baner bøjes på samme måde i nærheden af Jorden.

Så hvilken slags eksperiment kunne muligvis bevise, at tyngdekraften er forvrænget rumtid? Et stammer fra det faktum, at lys kan blive afbøjet af en nærliggende masse. Det hævdes ofte, at da lys ikke har nogen masse, burde det ikke blive afbøjet af et legemes tyngdekraft. Dette er ikke helt korrekt. Da lys har energi, og da masse og energi ifølge den specielle relativitetsteori er ækvivalente, forudsiger Newtons gravitationsteori, at lyset vil blive afbøjet en smule af en nærliggende masse. Forskellen er, at den generelle relativitetsteori forudsiger, at det vil blive afbøjet dobbelt så meget.

Effekten blev første gang observeret af Arthur Eddington i 1919. Eddington rejste til øen Principe ud for Vestafrikas kyst for at fotografere en total formørkelse. Han havde taget billeder af det samme område af himlen noget tidligere. Ved at sammenligne billederne af formørkelsen og de tidligere billeder af den samme himmel kunne Eddington vise, at stjernernes tilsyneladende position var forskudt, når Solen var tæt på. Størrelsen af afbøjningen var i overensstemmelse med Einstein, men ikke med Newton. Siden da har vi set en lignende effekt, hvor lyset fra fjerntliggende kvasarer og galakser afbøjes af tættere masser. Det kaldes ofte gravitationslinsning, og det er blevet brugt til at måle galaksers masse og endda til at se virkningerne af mørkt stof.

Et andet bevis er kendt som tidsforsinkelseseksperimentet. Solens masse forvrænger rummet i nærheden af den, og derfor bevæger lys, der passerer i nærheden af Solen, sig ikke i en perfekt lige linje. I stedet bevæger det sig langs en lidt buet bane, der er lidt længere. Det betyder, at lys fra en planet på den anden side af solsystemet end Jorden når os en lille smule senere, end vi ellers ville forvente. Den første måling af denne tidsforsinkelse blev foretaget i slutningen af 1960’erne af Irwin Shapiro. Radiosignaler blev prellet af på Venus fra Jorden, da de to planeter næsten befandt sig på hver sin side af solen. Den målte forsinkelse af signalernes rundrejse var ca. 200 mikrosekunder, præcis som forudsagt af den generelle relativitetsteori. Denne effekt er nu kendt som Shapiros tidsforsinkelse, og den betyder, at lysets gennemsnitshastighed (som bestemmes af rejsetiden) er lidt langsommere end den (altid konstante) øjeblikkelige lyshastighed.

En tredje effekt er gravitationsbølger. Hvis stjerner forvrænger rummet omkring dem, så burde stjernernes bevægelse i et binært system skabe krusninger i rumtiden, på samme måde som når man hvirvler sin finger i vand, kan det skabe krusninger på vandets overflade. Når tyngdebølgerne stråler væk fra stjernerne, fjerner de noget af energien fra det binære system. Det betyder, at de to stjerner gradvist bevæger sig tættere på hinanden, en effekt, der er kendt som inspirering. Efterhånden som de to stjerner inspirerer, bliver deres omløbstid kortere, fordi deres baner bliver mindre.

For almindelige binære stjerner er denne effekt så lille, at vi ikke kan observere den. Men i 1974 opdagede to astronomer (Hulse og Taylor) en interessant pulsar. Pulsarer er hurtigt roterende neutronstjerner, der tilfældigvis udsender radiopulser i vores retning. Pulsarernes pulsfrekvens er typisk meget, meget regelmæssig. Hulse og Taylor bemærkede, at denne særlige pulsars pulsarhastighed ville accelerere en smule for derefter at bremse en smule i et regelmæssigt tempo. De viste, at denne variation skyldtes pulsarens bevægelse, mens den kredsede om en stjerne. De var i stand til at bestemme pulsarens kredsløbsbevægelse meget præcist og beregnede dens kredsløbsperiode med en nøjagtighed på en brøkdel af et sekund. Da de observerede deres pulsar i årenes løb, bemærkede de, at dens omløbstid gradvist blev kortere. Pulsaren inspireres på grund af udstråling af tyngdebølger, præcis som forudsagt.

Finalt er der en effekt, der kaldes frame dragging. Vi har set denne effekt i nærheden af selve Jorden. Fordi Jorden roterer, krøller den ikke blot rumtiden ved hjælp af sin masse, den vrider rumtiden omkring sig på grund af sin rotation. Denne vridning af rumtiden er kendt som frame dragging. Effekten er ikke særlig stor i nærheden af Jorden, men den kan måles gennem Lense-Thirring-effekten. Grundlæggende sætter man et sfærisk gyroskop i kredsløb og ser, om dets rotationsakse ændres. Hvis der ikke er frame dragging, så bør gyroskopets orientering ikke ændre sig. Hvis der er frame dragging, så vil den spiralformede drejning af rum og tid få gyroskopet til at forcere, og dets orientering vil langsomt ændre sig over tid.

Vi har faktisk udført dette eksperiment med en satellit kaldet Gravity Probe B, og du kan se resultaterne i figuren her. Som du kan se, stemmer de meget godt overens.

Hvert af disse eksperimenter viser, at tyngdekraften ikke blot er en kraft mellem masser. Tyngdekraften er i stedet en virkning af rum og tid. Tyngdekraften er indbygget i selve universets form.

Tænk på det, næste gang du træder op på en vægt.