När vi tänker på gravitation tänker vi vanligtvis på den som en kraft mellan massor. När du ställer dig på en våg, till exempel, representerar siffran på vågen den dragning som jordens gravitation utövar på din massa, vilket ger dig vikt. Det är lätt att föreställa sig solens gravitationskraft som håller planeterna i sina banor, eller gravitationen från ett svart hål. Krafter är lätta att förstå som tryck och drag.
Men vi förstår nu att gravitationen som kraft bara är en del av ett mer komplext fenomen som beskrivs i den allmänna relativitetsteorin. Även om den allmänna relativitetsteorin är en elegant teori är den ett radikalt avsteg från idén om gravitation som en kraft. Som Carl Sagan en gång sa: ”Extraordinära påståenden kräver extraordinära bevis”, och Einsteins teori är ett mycket extraordinärt påstående. Men det visar sig att det finns flera extraordinära experiment som bekräftar krökningen av rum och tid.
Nyckeln till den allmänna relativitetsteorin ligger i det faktum att allt som befinner sig i ett gravitationsfält faller med samma hastighet. Stå på månen och släpp en hammare och en fjäder, och de kommer att träffa ytan samtidigt. Samma sak gäller för alla föremål oavsett massa eller fysisk sammansättning, och detta är känt som ekvivalensprincipen.
Då allt faller på samma sätt oavsett massa, innebär det att utan någon extern referenspunkt har en fritt svävande observatör som befinner sig långt från gravitationskällor och en fritt fallande observatör som befinner sig i gravitationsfältet hos en massiv kropp, var och en av dem samma upplevelse. Astronauter i rymdstationen ser till exempel ut som om de svävar utan gravitation. I själva verket är jordens gravitation på rymdstationen nästan lika stark som på ytan. Skillnaden är att rymdstationen (och allt i den) faller. Rymdstationen befinner sig i omloppsbana, vilket innebär att den bokstavligen faller runt jorden.
Denna ekvivalens mellan svävande och fallande är vad Einstein använde för att utveckla sin teori. I den allmänna relativitetsteorin är gravitationen inte en kraft mellan massor. Istället är gravitationen en effekt av förvrängningen av rum och tid i närvaro av massa. Utan en kraft som verkar på det kommer ett föremål att röra sig i en rak linje. Om du ritar en linje på ett pappersark och sedan vrider eller böjer pappret kommer linjen inte längre att se rak ut. På samma sätt böjs ett föremåls raka bana när rum och tid böjs. Detta förklarar varför alla föremål faller i samma takt. Gravitationen förvränger rumtiden på ett visst sätt, så de raka banorna för alla föremål böjs på samma sätt nära jorden.
Så vilken typ av experiment skulle möjligen kunna bevisa att gravitationen är förvrängd rumtid? Ett härrör från det faktum att ljus kan avledas av en närliggande massa. Det hävdas ofta att eftersom ljuset inte har någon massa borde det inte avledas av gravitationskraften från en kropp. Detta är inte helt korrekt. Eftersom ljuset har energi, och enligt den speciella relativitetsteorin är massa och energi likvärdiga, förutsäger Newtons gravitationsteori att ljuset skulle avledas något av en närliggande massa. Skillnaden är att den allmänna relativitetsteorin förutsäger att det kommer att avledas dubbelt så mycket.
Effekten observerades först av Arthur Eddington 1919. Eddington reste till ön Principe utanför Västafrikas kust för att fotografera en total förmörkelse. Han hade tagit bilder av samma region på himlen någon gång tidigare. Genom att jämföra bilderna av förmörkelsen och de tidigare bilderna av samma himmel kunde Eddington visa att stjärnornas skenbara position försköts när solen var nära. Mängden av avböjning stämde överens med Einstein, men inte med Newton. Sedan dess har vi sett en liknande effekt där ljuset från avlägsna kvasarer och galaxer avlänkas av närmare massor. Detta kallas ofta gravitationslinsning och har använts för att mäta galaxers massa och till och med för att se effekterna av mörk materia.
Ett annat bevis är känt som tidsfördröjningsexperimentet. Solens massa förvränger rymden i närheten av den, och därför färdas ljus som passerar nära solen inte i en perfekt rak linje. Istället färdas det längs en något krökt bana som är lite längre. Detta innebär att ljus från en planet på andra sidan solsystemet än jorden når oss en liten bit senare än vad vi annars skulle förvänta oss. Den första mätningen av denna tidsfördröjning gjordes i slutet av 1960-talet av Irwin Shapiro. Radiosignaler studsade mot Venus från jorden när de två planeterna befann sig nästan på motsatta sidor av solen. Den uppmätta fördröjningen av signalernas rundresa var cirka 200 mikrosekunder, precis som förutsagt av den allmänna relativitetsteorin. Denna effekt är nu känd som Shapiros tidsfördröjning, och den innebär att ljusets genomsnittliga hastighet (som bestäms av restiden) är något långsammare än den (alltid konstanta) momentana ljushastigheten.
En tredje effekt är gravitationsvågor. Om stjärnor förvränger rymden runt omkring dem, borde stjärnornas rörelse i ett binärt system skapa krusningar i rymdtiden, på samma sätt som när man virvlar med fingret i vatten kan det skapa krusningar på vattenytan. När gravitationsvågorna strålar bort från stjärnorna tar de bort en del av energin från det binära systemet. Detta innebär att de två stjärnorna gradvis rör sig närmare varandra, en effekt som kallas inspirering. När de två stjärnorna inspirerar blir deras omloppstid kortare eftersom deras banor blir mindre.
För vanliga binära stjärnor är denna effekt så liten att vi inte kan observera den. År 1974 upptäckte dock två astronomer (Hulse och Taylor) en intressant pulsar. Pulsarer är snabbt roterande neutronstjärnor som råkar utstråla radiopulser i vår riktning. Pulsarernas pulsfrekvens är vanligtvis mycket, mycket regelbunden. Hulse och Taylor noterade att just denna pulsars pulsarhastighet skulle accelerera något för att sedan sakta ner något i regelbunden takt. De visade att denna variation berodde på pulsarens rörelse när den kretsade kring en stjärna. De kunde bestämma pulsarens omloppsrörelse mycket exakt och beräknade dess omloppstid med en bråkdel av en sekund. När de observerade sin pulsar under årens lopp märkte de att dess omloppstid gradvis blev kortare. Pulsaren inspireras av strålningen från gravitationsvågor, precis som förutspåtts.
För det sista finns det en effekt som kallas frame dragging. Vi har sett denna effekt i närheten av själva jorden. Eftersom jorden roterar kröker den inte bara rymdtiden genom sin massa, utan vrider även rymdtiden runt den på grund av sin rotation. Denna vridning av rymdtiden är känd som frame dragging. Effekten är inte särskilt stor nära jorden, men den kan mätas genom Lense-Thirring-effekten. I princip sätter man ett sfäriskt gyroskop i omloppsbana och ser om dess rotationsaxel förändras. Om det inte finns någon ramdragning bör gyroskopets orientering inte förändras. Om det finns frame dragging, kommer spiralvridningen av tid och rum att få gyroskopet att precessera, och dess orientering kommer långsamt att förändras med tiden.
Vi har faktiskt gjort detta experiment med en satellit som kallas Gravity Probe B, och du kan se resultaten i figuren här. Som du kan se stämmer de mycket väl överens.
Varje experiment visar att gravitationen inte bara är en kraft mellan massor. Gravitation är istället en effekt av rum och tid. Gravitationen är inbyggd i själva formen av universum.
Tänk på det nästa gång du ställer dig på en våg.