Kiedy myślimy o grawitacji, zazwyczaj myślimy o niej jako o sile między masami. Kiedy stawiasz krok na wadze, na przykład, liczba na skali reprezentuje przyciąganie ziemskiej grawitacji do twojej masy, dając ci wagę. Łatwo jest sobie wyobrazić siłę grawitacyjną Słońca utrzymującą planety na ich orbitach lub siłę grawitacyjną czarnej dziury. Siły są łatwe do zrozumienia jako pchnięcia i ciągnięcia.

Ale teraz rozumiemy, że grawitacja jako siła jest tylko częścią bardziej złożonego zjawiska opisanego w ogólnej teorii względności. Podczas gdy ogólna teoria względności jest elegancka, jest to radykalne odejście od idei grawitacji jako siły. Jak powiedział kiedyś Carl Sagan: „Niezwykłe twierdzenia wymagają niezwykłych dowodów”, a teoria Einsteina jest bardzo niezwykłym twierdzeniem. Ale okazuje się, że istnieje kilka niezwykłych eksperymentów, które potwierdzają zakrzywienie przestrzeni i czasu.

Klucz do ogólnej teorii względności leży w fakcie, że wszystko w polu grawitacyjnym spada w tym samym tempie. Stań na Księżycu i upuść młotek i piórko, a uderzą one w powierzchnię w tym samym czasie. To samo jest prawdziwe dla każdego obiektu niezależnie od jego masy lub fizycznego makijażu, a to jest znane jako zasada równoważności.

Ponieważ wszystko spada w ten sam sposób niezależnie od masy, oznacza to, że bez jakiegoś zewnętrznego punktu odniesienia, swobodnie pływający obserwator z dala od źródeł grawitacji i swobodnie spadający obserwator w polu grawitacyjnym masywnego ciała każdy ma takie samo doświadczenie. Na przykład, astronauci na stacji kosmicznej wyglądają tak, jakby unosili się bez grawitacji. W rzeczywistości przyciąganie grawitacyjne Ziemi na stacji kosmicznej jest prawie tak silne, jak na powierzchni. Różnica polega na tym, że stacja kosmiczna (i wszystko, co się w niej znajduje) spada. Stacja kosmiczna jest na orbicie, co oznacza, że dosłownie spada wokół Ziemi.

Tej równoważności między unoszeniem się i opadaniem użył Einstein do opracowania swojej teorii. W ogólnej teorii względności, grawitacja nie jest siłą pomiędzy masami. Zamiast tego grawitacja jest efektem wypaczenia przestrzeni i czasu w obecności masy. Bez działającej na niego siły, obiekt będzie poruszał się po linii prostej. Jeśli narysujemy linię na kartce papieru, a następnie przekręcimy ją lub zgniemy, linia ta nie będzie już wydawać się prosta. W ten sam sposób prosta droga obiektu jest zaginana, gdy przestrzeń i czas są zaginane. To wyjaśnia, dlaczego wszystkie obiekty spadają w tym samym tempie. Grawitacja wypacza czasoprzestrzeń w szczególny sposób, więc proste ścieżki wszystkich obiektów są wygięte w ten sam sposób w pobliżu Ziemi.

Więc jaki rodzaj eksperymentu mógłby ewentualnie udowodnić, że grawitacja jest wypaczoną czasoprzestrzenią? Jeden wynika z faktu, że światło może być odchylone przez pobliską masę. Często argumentuje się, że skoro światło nie ma masy, to nie powinno być odchylane przez siłę grawitacji jakiegoś ciała. Nie jest to do końca poprawne. Ponieważ światło ma energię, a zgodnie ze szczególną względnością masa i energia są równoważne, grawitacyjna teoria Newtona przewiduje, że światło będzie nieznacznie odchylane przez pobliską masę. Różnica polega na tym, że ogólna teoria względności przewiduje, że będzie ono odchylone dwa razy bardziej.

Efekt ten został po raz pierwszy zaobserwowany przez Arthura Eddingtona w 1919 roku. Eddington podróżował na wyspę Principe u wybrzeży Afryki Zachodniej, aby sfotografować całkowite zaćmienie. Wcześniej wykonał zdjęcia tego samego rejonu nieba. Porównując zdjęcia zaćmienia i wcześniejsze zdjęcia tego samego nieba, Eddington był w stanie wykazać, że pozorne położenie gwiazd uległo przesunięciu, gdy Słońce było blisko. Wielkość odchylenia zgadzała się z Einsteinem, a nie z Newtonem. Od tego czasu zaobserwowaliśmy podobny efekt, gdy światło odległych kwazarów i galaktyk jest odchylane przez bliższe masy. Jest to często określane jako soczewkowanie grawitacyjne i zostało użyte do pomiaru mas galaktyk, a nawet do zobaczenia efektów ciemnej materii.

Inny dowód jest znany jako eksperyment opóźnienia czasowego. Masa Słońca wypacza przestrzeń w jego pobliżu, dlatego światło przechodzące w pobliżu Słońca nie podróżuje w idealnie prostej linii. Zamiast tego porusza się po lekko zakrzywionej ścieżce, która jest nieco dłuższa. Oznacza to, że światło z planety znajdującej się po drugiej stronie Układu Słonecznego niż Ziemia dociera do nas nieco później niż byśmy się tego spodziewali. Pierwsze pomiary tego opóźnienia zostały przeprowadzone pod koniec lat 60-tych przez Irwina Shapiro. Sygnały radiowe odbijały się od Wenus z Ziemi, gdy obie planety znajdowały się prawie po przeciwnych stronach Słońca. Zmierzone opóźnienie w podróży okrężnej sygnałów wyniosło około 200 mikrosekund, tak jak przewidywała ogólna teoria względności. Efekt ten jest obecnie znany jako opóźnienie czasu Shapiro, a to oznacza, że średnia prędkość światła (określona przez czas podróży) jest nieco wolniejsza niż (zawsze stała) chwilowa prędkość światła.

Trzeci efekt to fale grawitacyjne. Jeśli gwiazdy wypaczają przestrzeń wokół siebie, to ruch gwiazd w układzie podwójnym powinien tworzyć fale w czasoprzestrzeni, podobnie jak wirowanie palcem w wodzie może tworzyć fale na jej powierzchni. Gdy fale grawitacyjne promieniują od gwiazd, zabierają one część energii z układu podwójnego. Oznacza to, że obie gwiazdy stopniowo zbliżają się do siebie, co jest efektem znanym jako wdech. W miarę wdechu obu gwiazd ich okres orbitalny skraca się, ponieważ ich orbity stają się coraz mniejsze.

Dla zwykłych gwiazd podwójnych efekt ten jest tak mały, że nie możemy go zaobserwować. Jednak w 1974 roku dwaj astronomowie (Hulse i Taylor) odkryli interesujący pulsar. Pulsary to szybko rotujące gwiazdy neutronowe, które przypadkowo emitują impulsy radiowe w naszym kierunku. Częstotliwość pulsowania pulsarów jest zazwyczaj bardzo, bardzo regularna. Hulse i Taylor zauważyli, że pulsar ten nieznacznie przyspiesza, a następnie zwalnia w regularnym tempie. Wykazali, że ta zmienność była spowodowana ruchem pulsara, który krążył wokół gwiazdy. Byli oni w stanie bardzo dokładnie określić ruch orbitalny pulsara, obliczając jego okres orbitalny z dokładnością do ułamka sekundy. Obserwując swojego pulsara przez lata, zauważyli, że jego okres orbitalny stopniowo się skracał. Pulsar jest wdechowy dzięki promieniowaniu fal grawitacyjnych, tak jak przewidywano.

Wreszcie istnieje efekt znany jako przeciąganie ramki. Widzieliśmy ten efekt w pobliżu samej Ziemi. Ponieważ Ziemia się obraca, nie tylko zakrzywia czasoprzestrzeń przez swoją masę, ale także skręca czasoprzestrzeń wokół siebie z powodu swojej rotacji. To skręcenie czasoprzestrzeni jest znane jako przeciąganie ramki. Efekt ten nie jest zbyt duży w pobliżu Ziemi, ale można go zmierzyć poprzez efekt Lense-Thirringa. Zasadniczo umieszczasz sferyczny żyroskop na orbicie i sprawdzasz, czy jego oś obrotu się zmienia. Jeśli nie ma przeciągania ramki, to orientacja żyroskopu nie powinna się zmienić. Jeśli występuje przeciąganie ramki, wtedy spiralne skręcenie przestrzeni i czasu spowoduje precesję żyroskopu, a jego orientacja będzie powoli zmieniać się w czasie.

Właściwie przeprowadziliśmy ten eksperyment z satelitą znanym jako Gravity Probe B, a wyniki można zobaczyć na rysunku tutaj. Jak widać, zgadzają się one bardzo dobrze.

Każdy z tych eksperymentów pokazuje, że grawitacja nie jest po prostu siłą między masami. Grawitacja jest zamiast tego efektem przestrzeni i czasu. Grawitacja jest wbudowana w sam kształt wszechświata.

Pomyśl o tym następnym razem, gdy wejdziesz na wagę.