Det er nu 100 år siden Albert Einstein præsenterede sin almene relativitetsteori i en serie forelæsninger i Berlin. Det må have været mærkeligt at sidde og høre Einstein fremlægge sin meget abstrakte teori, samtidig med at 1. verdenskrig rasede blot få hundrede kilometer borte.
I dag er 1. verdenskrig historie, mens den almene relativitetsteori lever i bedste velgående. Teorien udgør stadig det teoretiske grundlag for mange store forskningsprojekter, deriblandt det europæiske LISA projekt, vi vil vende tilbage til.
Tyngdekraften og rummet
Den almene relativitetsteori er grundlæggende en teori om hvordan tyngdekraften påvirker selve rummets form. Det beskrives ofte ved at forestille sig rummet som en gummihinde. Hvis man anbringer en tung kugle på hinden, så buler den – i nærheden af kuglen er gummihinden ikke længere flad, men krum.
I Einsteins teori er tyngdekraften i virkeligheden blot en konsekvens af, at rummet krummer i nærheden af et tyngdefelt, og at partiklerne derfor er tvunget til at bevæge sig i et krumt rum. Det gælder således for Jordens bevægelse om Solen – Solens stærke tyngdefelt krummer rummet helt ud til Jordens afstand, og endda meget længere bort.
Fysikeren Archibald Wheeler har udtrykt det kort og klart: ”Space tells matter how to move and matter tells space how to curve”
En perfekt teori?
Det imponerende ved den almene relativitetsteori er, at den passer med alle de eksperimenter, som er gennemført gennem de 100 år teorien har eksisteret. I den forstand er det ”den perfekte teori”.
Allerede hurtigt fejrede teorien store triumfer: Nu fik man endelig en forklaring på Merkurs bane, som ikke helt følger Newtons klassiske tyngdelov. Og allerede i 1919 blev det målt, hvorledes Solens tyngdefelt afbøjer lyset fra fjerne stjerner – helt efter Einsteins formler.
Tyngdekraften kan også ændre tidens gang. GPS satellitter kredser 20.000 km over Jorden, hvor tyngdekraften er svagere end ved overfladen. Derfor går tiden på satellitten en smule hurtigere end her på Jorden, og det skal der korrigeres for.
Faktisk vinder GPS satellitternes ure hver dag 45 mikrosekunder som følge af den svagere tyngdekraft. Til gengæld taber de 7 mikrosekunder som følge af deres bevægelse rundt om Jorden. Sammenlagt vinder urene altså 45 – 7 = 38 mikrosekunder. Så man kan roligt sige, at Einstein hver eneste dag påvirker vor dagligdag.
Men alligevel er der problemer, der udfordrer fysikerne. Det største problem er, at man ikke kan få relativitetsteorien til ”at arbejde sammen” med den anden store teori, kvantemekanikken. Der findes således stadig ikke en kvanteteori for tyngdekraften, og det er et enormt problem, især for teorier som Big Bang.
De usynlige bølger
En af de vigtigste forudsigelser fra den almene relativitetsteori er eksistensen af tyngdebølger. Tyngdebølger er ikke almindelige bølger – de er ikke bølger i rummet. Det er selve rummet, der bølger.
Det lyder abstrakt, men lad os vende tilbage til vor analogi med kuglen på gummihinden. Hvis kuglen sættes i svingninger, så begynder gummihinden, altså selve rummet, at svinge. Vi ser nu på to partikler, som ligger i hvile i forhold til hinanden på gummihinden.
Når tyngdebølgen passerer, så kommer de to partikler til at bevæge sig i forhold til hinanden – det svarer på mange måder til hvad der sker når det blæser op over et ellers roligt hav, hvor en række skibe ligger stille i forhold til hinanden.
Tyngdekraften er en meget svag kraft, så tyngdebølger er også meget svage. Det kræver meget store masser, som skal accelereres voldsomt for at sætte rummet så meget i sving, at vi kan måle det.
Fra neutronstjerner til LISA
Vi har aldrig direkte målt tyngdebølger, men i 1974 fik vi det til dato bedste indirekte bevis på, at de eksisterer. Det er den såkaldte Hulse-Taylor pulsar, der består af to neutronstjerner, der kredser om hinanden på bare 7,75 timer.
Over en periode på 20 år målte man, hvordan de to neutronstjerner gradvist kommer tættere på hinanden, fordi de taber energi. Dette energitab er nøjagtigt det, som vi kan beregne må finde sted, fordi de to pulsarer udsender tyngdebølger.
Men fysikerne ønsker naturligvis at måle bølgerne direkte. Det er baggrunden for, at det europæiske rumagentur ESA om godt en måned vil opsende LISA Pathfinder. Formålet er at afprøve den teknik, der er nødvendig for at lede efter tyngdebølger.
LISA Pathfinder vejer kun 1910 kg, men har kostet den nette sum af 430 millioner euro. Den er et mesterværk af teknik, hvor man for første gang vil søge at måle den indbyrdes bevægelse af to terninger af en guld-platin legering med en nøjagtighed på en picometer – en billiontedel af en meter.
Hvordan man gør det ved hjælp af lasere er en lang historie, vi ikke kan komme ind på her, men yderligere oplysninger kan findes her og her, hvor der er et link til et PDF-dokument, som i detaljer beskriver missionen.
Hvis teknikken virker, så er det planen at opsende tre LISA-satellitter omkring 2030. De skal flyve i formation i en trekant, hvor sidelængden er en million kilometer.
Først da vil det være muligt at måle tyngdebølgerne, hvor man netop forventer, at de tre satellitter vil bevæge sig omkring en picometer i forhold til hinanden, hvis en tyngdebølge passerer gennem vort solsystem.
Men det kræver, at vi kan holde styr på de tre satellitters indbyrdes position med en nøjagtighed bedre end en picometer – og det er virkelig en udfordring.
Ligesom andre bølger kan tyngdebølger have forskellige frekvenser og dermed forskellige bølgelængder. De frekvenser, LISA vil forøge at måle, er fra 0,0001 Hz til 0,1 Hz, altså meget lave frekvenser. Det svarer til bølgelængder mellem 3 millioner km og 3 milliarder km. Den sidste bølgelængde svarer til afstanden mellem Solen og Uranus.
Den største udfordring
LISA Pathfinder er en værdig måde at fejre relativitetsteoriens 100 års jubilæum. Finder vi tyngdebølger, vil det helt sikkert udløse en Nobelpris.
Og der kan komme flere, for tyngdebølger gør det muligt i teorien at se helt tilbage til Big Bang – faktisk burde hele vort univers være gennemstrømmet af tyngdebølger fra rystelserne ved selve universets skabelse.
Der har allerede været en falsk alarm, hvor et forskerhold her på Jorden mente, at de havde fundet indirekte spor af disse tyngdebølger.
Så relativitetsteorien lever i bedste velgående, men den store sten i skoen er, at den ikke kan forenes med den mindst lige så vellykkede kvanteteori. Lykkes det for en fremtidig Einstein, så vil vedkommende ikke bare få en Nobelpris, men også gå over i historien.
En forening af relativitetsteorien og kvantemekanikken vil være det største gennembrud i fysikken de sidste 100 år. Først når vi har en sådan forenet teori har vi mulighed for virkelig at forstå de sorte huller og gå tilbage til selve Big Bang, hvor vor nuværende fysik simpelthen ikke fungerer.
Denne artikel er oprindeligt publiceret som et blogindlæg.
