Hvor rask er egentlig tyngdekraften?

Denne galaksen, som alle andre galakser, holdes sammen av tyngdekraften mellom all massen. Det vil si alle planetene, stjernene, mørk materie, sorte hull og alt annet som finnes her.
Denne galaksen, som alle andre galakser, holdes sammen av tyngdekraften mellom all massen. Det vil si alle planetene, stjernene, mørk materie, sorte hull og alt annet som finnes her. Foto: Nasa
Artikkelen fortsetter under annonsen

Hastigheten avslører noe grunnleggende om universet og viser nok en gang at Einstein hadde rett.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Tyngdekraften virker på kosmiske avstander. Mens vi mennesker og alt annet på overflaten trekkes på av jordkloden, holder solen solsystemet på plass.

Solsystemet vårt er bare et av et utall andre som finnes i vår galakse Melkeveien. Og tyngdekraften holder galaksen sammen.

Men samme hvor lange avstander den fungerer over, går også tyngdekraften i en absolutt fart.

Ifølge 1600-talls-matematikeren og fysikeren Isaac Newton var tyngdekraften helt umiddelbar. Han mente den fungerte over uendelige avstander helt uten forsinkelse. Dette ble motbevist av Einstein og nå vet vi det ikke stemmer.

Tyngdekraften forplanter seg nemlig med en helt bestemt hastighet. Hvis sola hadde blitt borte akkurat nå, hadde det tatt rundt åtte minutter før jorden hadde «løsnet» og fortsatt i en rett linje ut i det store tomrommet.

Artikkelen fortsetter under annonsen
Artikkelen fortsetter under annonsen

Det hadde skjedd samtidig med at det ble helt mørkt. Hvis åtte minutter høres kjent ut, er det fordi det er samme tiden det tar før lyset fra solen når oss. Og det er ikke tilfeldig.

Lys og gravitasjon

Det var en gravitasjonsbølge, en slags reisende bølge i romtiden, som for få år siden ga det svært presise svaret som fysikerne sitter med nå.

Bølgen kalles GW 170817 og kom fra kollisjonen mellom to nøytronstjerner rundt 130 millioner lysår unna jorden. Når disse to stjernene kolliderte, sendte de ut lange gravitasjonsbølger.

Gravitasjonsbølger ble målt for første gang i 2015, så dette er et relativt nytt forskningsfelt.

Artikkelen fortsetter under annonsen
Artikkelen fortsetter under annonsen
Slik ser en kunstner for seg at de to nøytronstjernene så ut da de var på vei til å kolldiere med hverandre. Foto: Nasa
Slik ser en kunstner for seg at de to nøytronstjernene så ut da de var på vei til å kolldiere med hverandre. Foto: Nasa

Men kollisjonen sendte også ut lys – stråling på det elektromagnetiske spektrumet. Dette var en svært viktig måling, fordi forskerne fikk målt både gravitasjon og lyset samtidig.

Og det ga det tydeligste svaret på tyngdekraftens hastighet: Den er så godt som lik lysets hastighet, ned til en nøyaktighet på minst 15 desimalplasser, i følge denne forskningsartikkelen fra 2017, som beskriver hendelsen.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Lyset fra kollisjonen og gravitasjonsbølgene hadde reist over 130 millioner lysår, og de kom til jorden med under to sekunders mellomrom med hverandre.

Denne ørlille forskjellen kan kanskje forklares med når lyset og når gravitasjonsbølgene sendes ut i løpet av kollisjonen, forteller Are Raklev til forskning.no. Han er fysiker ved Universitetet i Oslo.

Einstein hadde rett

Einsteins generelle relativitetsteori har vist seg å forklare universet og tyngdekraften svært godt på de store skalaene.

Hans beskrivelse av universet forutså sorte hull, tidsforlengelse og gravitasjonslinser. Dette er altså bare noen av fenomenene som har vist seg å ikke bare eksistere i teoriene, men som faktisk finnes i universet.

Og ifølge Einstein må tyngdekraften bevege seg i lysets hastighet. Det er bare sånn universet er.

– Vi jukser litt når vi kaller det lysets hastighet, sier Are Raklev til forskning.no.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Lyshastigheten er altså omtrent 299.792 kilometer i sekundet. Les mer om hva denne hastigheten egentlig betyr på forskning.no.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Det virker som om lysets hastighet er en slags absolutt hastighet i universet, og det har ikke noe med lyset å gjøre. Alt som er massivt, det vil si meg, deg, romskip og de fleste partikler kan ikke gå i lysets hastighet.

Det vil kreve uendelig med energi å komme til denne hastigheten, ifølge Einstein.

På den annen side er det noen ting som ikke har noe valg: De må gå i lysets hastighet. Det gjelder blant annet lyspartikkelen: fotonet, som ikke har noen masse.

Og denne bevegelsen i romtiden beveger seg altså enten i lik hastighet eller noe som er veldig, veldig nært.

Are Raklev forteller at gravitasjonsbølgemålingen i 2017 umiddelbart luket vekk mange alternative tyngdekraft-hypoteser, som forsøkte å bygge opp alternativer til Einstein.

Artikkelen fortsetter under annonsen

– Mange forslag har blitt kastet ut av vinduet på grunn av dette.

Flere forskere har eksperimentert med modeller som har alternative hastigheter på gravitasjonen, og hvilke implikasjoner det har for andre deler av fysikken. Men disse alternative forklaringer kan altså legges vekk.

Samtidig vet fysikerne at Einsteins teorier ikke er i nærheten av å forklare alt.

En del av det hypersensitive LIGO-observatoriet, som var med på å måle gravitasjonsbølger for første gang (Foto: Umptanum/CC BY-SA 3.0)
En del av det hypersensitive LIGO-observatoriet, som var med på å måle gravitasjonsbølger for første gang (Foto: Umptanum/CC BY-SA 3.0)

Kvantemekanikk og tyngdekraft

Kvantemekanikken er en svært suksessrik vitenskapelig teori som viser presist hvordan ting på de minste skalaene i universet fungerer, som elementærpartiklene og atomene. Les mer om hva en elementærpartikkel er på forskning.no.

Men kvantemekanikken og Einsteins teorier går ikke sammen - Einsteins beskrivelse av tyngdekraften fungerer ikke sammen med kvantemekanikken på ekstremt høye energier eller veldig små skalaer, sier Raklev.

Artikkelen fortsetter under annonsen

I kvantemekanikken trengs det en kvant – en partikkel for fundamentale naturkrefter – og den foreslåtte partikkelen kalles et graviton.

Artikkelen fortsetter under annonsen

– De aller fleste fysikere tror nok at tyngdekraften dypest sett er kvantefysisk, sa Anders Kvellestad til forskning.no i forbindelse med et nytt forsøk om tyngdekraft. Les mer om dette her.

Hvis graviton-partikkelen finnes, reiser den altså svært nær eller i lysets hastighet, slik gravitasjonsbølgene har vist. Det nye eksperimentet tar sikte på å finne ut om gravitasjonen er kvantemekanisk eller ikke, og du kan lese noe om bakgrunnen på forskning.no.

Men målingen av tyngdekraftens hastighet er ikke noe bevis på om gravitonet eksisterer eller ikke. Den har vist seg å være ekstremt vanskelig å finne, og partikkelen er ikke påvist enda etter mange tiårs arbeid.

Are Raklev forklarer at fysikerne er på et vis nærmere en forklaring om tyngdekraftens natur, siden de har kunnet luke vekk forklaringsmodeller som forutsetter en annen gravitasjonshastighet.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Samtidig består det samme problemet med å forene Einsteins teorier med kvantemekanikken.

Spørsmålet er om enda større presisjon i målingene kan avdekke noen uventede avvik ved for eksempel gravitasjonsbølger som gjør at Einsteins beskrivelser kan slå sprekker, men foreløpig vet ikke fysikerne.

(Denne saken ble først publisert på Forskning.no).