Amikor a gravitációra gondolunk, általában a tömegek közötti erőre gondolunk. Amikor például rálépsz egy mérlegre, a mérlegen lévő szám a Föld gravitációjának a tömegedre gyakorolt vonzását jelenti, ami súlyt ad neked. Könnyű elképzelni a Nap gravitációs erejét, amely a bolygókat pályájukon tartja, vagy egy fekete lyuk gravitációs vonzását. Az erőket könnyű toló- és húzóerőként megérteni.

Most azonban megértettük, hogy a gravitáció mint erő csak egy összetettebb jelenség része, amelyet az általános relativitáselmélet ír le. Bár az általános relativitáselmélet elegáns elmélet, radikálisan eltér a gravitációnak mint erőnek az elképzelésétől. Ahogy Carl Sagan mondta egyszer: “A rendkívüli állítások rendkívüli bizonyítékokat igényelnek”, és Einstein elmélete nagyon is rendkívüli állítás. De kiderült, hogy számos rendkívüli kísérlet igazolja a tér és az idő görbületét.

Az általános relativitáselmélet kulcsa abban a tényben rejlik, hogy a gravitációs mezőben minden egyforma sebességgel esik. Álljunk a Holdra, és dobjunk le egy kalapácsot és egy tollat, és mindkettő egyszerre fog a felszínre csapódni. Ugyanez igaz bármely tárgyra, függetlenül annak tömegétől vagy fizikai felépítésétől, és ezt nevezik ekvivalenciaelvnek.

Mivel minden ugyanúgy esik, függetlenül a tömegétől, ez azt jelenti, hogy valamilyen külső vonatkoztatási pont nélkül a gravitációs forrástól távol lebegő megfigyelő és a tömeges test gravitációs mezejében szabadon zuhanó megfigyelő ugyanazt tapasztalja. Például az űrállomáson tartózkodó asztronautáknak úgy tűnik, mintha gravitáció nélkül lebegnének. Valójában a Föld gravitációs vonzása az űrállomáson majdnem olyan erős, mint a felszínen. A különbség az, hogy az űrállomás (és benne minden) zuhan. Az űrállomás pályára áll, ami azt jelenti, hogy szó szerint a Föld körül esik.

Ez az egyenértékűség a lebegés és a zuhanás között az, amit Einstein felhasznált elmélete kidolgozásához. Az általános relativitáselméletben a gravitáció nem a tömegek közötti erő. Ehelyett a gravitáció a tér és az idő torzulásának hatása a tömeg jelenlétében. A rá ható erő nélkül egy tárgy egyenes vonalban mozog. Ha egy papírlapra vonalat rajzolunk, majd a papírt elforgatjuk vagy meghajlítjuk, a vonal már nem fog egyenesnek tűnni. Ugyanígy egy tárgy egyenes útja is meggörbül, ha a tér és az idő meggörbül. Ez megmagyarázza, hogy miért esik minden tárgy egyforma sebességgel. A gravitáció sajátos módon torzítja a téridőt, ezért a Föld közelében minden tárgy egyenes pályája ugyanúgy meggörbül.”

Milyen kísérlettel lehetne tehát bizonyítani, hogy a gravitáció a téridő torzítása? Az egyik abból a tényből ered, hogy a fényt el lehet téríteni egy közeli tömeg által. Gyakran érvelnek azzal, hogy mivel a fénynek nincs tömege, ezért egy test gravitációs erejének nem kellene eltérítenie. Ez nem egészen így van. Mivel a fénynek energiája van, és a speciális relativitáselmélet szerint a tömeg és az energia egyenértékű, Newton gravitációs elmélete azt jósolja, hogy a fényt egy közeli tömeg kissé eltéríti. A különbség az, hogy az általános relativitáselmélet azt jósolja, hogy kétszer akkora mértékben térül el.

A hatást először Arthur Eddington figyelte meg 1919-ben. Eddington a Nyugat-Afrika partjainál fekvő Principe szigetére utazott, hogy lefényképezzen egy teljes napfogyatkozást. Valamikor korábban már készített fényképeket az égbolt ugyanerről a régiójáról. A napfogyatkozásról készült fotókat és az ugyanarról az égboltról készült korábbi felvételeket összehasonlítva Eddington ki tudta mutatni, hogy a csillagok látszólagos helyzete eltolódott, amikor a Nap közel volt. Az elhajlás mértéke Einsteinnel, nem pedig Newtonnal egyezett meg. Azóta láttunk hasonló hatást, amikor a távoli kvazárok és galaxisok fényét közelebbi tömegek eltérítik. Ezt gyakran nevezik gravitációs lencsézésnek, és arra használták, hogy megmérjék a galaxisok tömegét, és még a sötét anyag hatását is észrevegyék.

Egy másik bizonyíték az úgynevezett időkésleltetési kísérlet. A Nap tömege eltorzítja a teret a közelében, ezért a Nap közelében elhaladó fény nem tökéletesen egyenes vonalban halad. Ehelyett egy enyhén görbült úton halad, ami egy kicsit hosszabb. Ez azt jelenti, hogy a Naprendszer Földtől eltérő oldalán lévő bolygóról érkező fény egy kicsivel később jut el hozzánk, mint amire egyébként számítanánk. Ezt az időbeli késleltetést először Irwin Shapiro mérte meg az 1960-as évek végén. A Földről a Vénuszról visszaverődött rádiójelek akkor érkeztek, amikor a két bolygó a Nap majdnem ellentétes oldalán állt. A jelek oda-vissza útjának mért késése körülbelül 200 mikromásodperc volt, ahogyan azt az általános relativitáselmélet megjósolta. Ezt a hatást ma már Shapiro-féle időkésésnek nevezik, és azt jelenti, hogy a fény átlagos sebessége (az utazási idő alapján meghatározva) kissé lassabb, mint a (mindig állandó) pillanatnyi fénysebesség.

A harmadik hatás a gravitációs hullámok. Ha a csillagok eltorzítják maguk körül a teret, akkor a csillagok mozgásának egy kettős rendszerben hullámokat kellene létrehoznia a téridőben, hasonlóan ahhoz, ahogyan az ujjunk vízben való kavargatása hullámokat hozhat létre a víz felszínén. Ahogy a gravitációs hullámok kisugároznak a csillagoktól, elvonják az energia egy részét a kettős rendszerből. Ez azt jelenti, hogy a két csillag fokozatosan közelebb kerül egymáshoz, ezt a hatást nevezik inspirációnak. Ahogy a két csillag inspirálódik, a keringési periódusuk egyre rövidebb lesz, mert a pályájuk egyre kisebb lesz.

A szabályos kettőscsillagok esetében ez a hatás olyan kicsi, hogy nem tudjuk megfigyelni. Azonban 1974-ben két csillagász (Hulse és Taylor) felfedezett egy érdekes pulzárt. A pulzárok gyorsan forgó neutroncsillagok, amelyek történetesen rádióimpulzusokat sugároznak a mi irányunkba. A pulzárok impulzusai jellemzően nagyon-nagyon szabályosak. Hulse és Taylor észrevette, hogy ennek a bizonyos pulzárnak a pulzusszáma kissé felgyorsul, majd szabályos ütemben kissé lelassul. Kimutatták, hogy ez a változás a pulzár csillag körüli mozgásának köszönhető. Nagyon pontosan meg tudták határozni a pulzár keringési mozgását, a másodperc töredékére pontosan kiszámítva a keringési periódusát. Ahogy az évek során megfigyelték a pulzárt, észrevették, hogy a keringési ideje fokozatosan rövidül. A pulzár a gravitációs hullámok sugárzása miatt inspirálódik, ahogyan azt megjósolták.

Végre van még egy hatás, amit keretvonzásnak neveznek. Ezt a hatást már magának a Földnek a közelében is láttuk. Mivel a Föld forog, nemcsak a tömegével görbíti a téridőt, hanem a forgása miatt ki is csavarja maga körül a téridőt. A téridőnek ezt a csavarodását nevezzük kerethúzásnak. A hatás nem túl nagy a Föld közelében, de a Lense-Thirring-effektuson keresztül mérhető. Alapvetően egy gömbgiroszkópot helyezünk pályára, és megnézzük, hogy változik-e a forgástengelye. Ha nincs kerethúzás, akkor a giroszkóp orientációja nem változhat. Ha van kerethúzás, akkor a tér és az idő spirális csavarodása a giroszkópot precesszióra készteti, és az orientációja az idő múlásával lassan megváltozik.

Ezt a kísérletet valóban elvégeztük a Gravity Probe B nevű műholddal, és az eredményeket az ábrán láthatjuk. Mint látható, nagyon jól egyeznek.

Ezek a kísérletek mindegyike azt mutatja, hogy a gravitáció nem egyszerűen a tömegek közötti erő. A gravitáció ehelyett a tér és az idő hatása. A gravitáció bele van építve a világegyetem formájába.

Gondolj erre, amikor legközelebb egy mérlegre lépsz.