I år er det 100 år siden Albert Einstein la frem den generelle relativitetsteorien.

TRYGVE BUANES

Teorien har rykte på seg for å være bortimot uforståelig — kanskje spesielt takket være den engelske astronomen Arthur Eddington som under et foredrag skal ha fått kommentaren «Du må være en av bare tre personer i verden som forstår den generelle relativitetsteorien». Etter å ha tenkt en stund skal Eddington ha svart at han ikke kunne komme på hvem den tredje personen skulle være.Det er riktig at den er ganske komplisert, men langt fra så ille som ryktet skal ha det til.

Det Newton ikke fant

Man kan forstå en hel del av teorien uten å sette seg inn i matematikken bak den. Det den generelle relativitetsteorien virkelig er, er en presis beskrivelse av tyngdekraften. Som en bieffekt av dette sier den også noe fundamentalt om rom og tid.

Allerede 200 år før Einstein hadde Isaac Newton kommet med sin beskrivelse av tyngdekraften, og den fungerte så bra at knapt noen så behovet for å endre på den. Men Einstein så at Newton sitt ­arbeid ikke var fullkomment, og han så hva som skulle til for å forbedre det.

Det den generelle relativitetsteorien virkelig er, er en presis beskrivelse av tyngdekraften.

Det Einstein gjorde var nemlig ikke å forkaste Newton sin tyngdelov, som fungerer utmerket i nesten alle tilfeller. Einstein viste oss at Newtons beskrivelse ikke er helt presis i alle tilfeller, først og fremst når tyngdekraften er veldig sterk eller når objekter beveger seg i nærheten av lyshastigheten.

Lysets mysterium

«Alt er relativt» hører vi ofte, men det mest interessante med relativitetsteorien er faktisk det som ikke er relativt. Einstein utledet relativitetsteorien fra to ganske enkle premisser. Det første premisset er at uansett hvordan vi beveger oss, kan vi beskrive alt vi ser med de samme fysiske lovene. Det var en antakelse som mange hadde gjort også før Einstein, men på slutten av 1800-tallet hadde det dukket opp en tilsynelatende konflikt med dette premisset.

I 1865 publiserte den skotske fysikeren James Clerk Maxwell et sett ligninger som beskriver hvordan lys beveger seg. Maxwells beskrivelse av lyset så ut til å være riktig, men samtidig så den ut til å være umulig å forene med premisset om at de fysiske lovene skal være like uansett hvordan vi beveger oss. Nettopp her kommer Einsteins andre premiss inn: Han viste at hvis alle måler den samme lyshastigheten, uavhengig av hvordan de beveger seg, er det ikke noe problem med Maxwells ligninger likevel.

Innsikt: Slik blir fukt til energi:

Vår egen tid

Denne enkle observasjonen til Einstein har dyptgripende konsekvenser: Mye av det fysikere før Einstein hadde tatt for gitt, viste seg å være feil. For eksempel finnes det ikke en universell tid. Vi har alle vår egen tid, og jo raskere vi beveger oss, jo langsommere går tiden. Men det legger vi ikke merke til, for det er først hvis hastigheten vår nærmer seg lyshastigheten at effekten begynner å bli stor.

Vi har alle vår egen tid, og jo raskere vi beveger oss, jo langsommere går tiden.
Pluto
NASA/APL/SwRI

Hvis vi hadde klart å lage et romskip som kunne reise med 90 prosent av lyshastigheten, ville en reise til Pluto tatt litt under fem timer, målt med tiden til en som er igjen på jorden. For den som reiser med romskipet, tar turen bare så vidt over to timer. Ifølge relativitetsteorien skyldes ikke forskjellen at klokker ikke virker skikkelig når farten blir stor, men at selve tiden endrer seg. Innsikt om «kvinneplageren»:

Selv om det måtte et ekstremt eksempel til for å anskueliggjøre betydningen av ikke-universell tid, er effekten likevel svært viktig for oss i det daglige. Det satellittbaserte navigasjonssystemet GPS er helt avhengig av å korrigere for denne tidsforskjellen for å virke. Farten til satellittene er riktignok ikke så enormt stor, men systemet er avhengig av svært presis tid­taking.

Einsteins tyngdekraft

Einstein og Newton sine lover gir i de fleste tilfeller samme svar når vi regner ut hvor sterk tyngdekraften er, og hvilken innvirkning det har på objekter. Likevel er beskrivelsene fundamentalt forskjellige:

  • Newtons tyngdelov beskriver en kraft som på mystisk vis virker gjennom store tomrom og for eksempel­ holder jorden i bane rundt solen, som om det var en usynlig tråd som forbinder dem.
  • Einsteins relativitetsteori beskriver derimot ikke tyngdekraften som en kraft i det hele tatt, men som en krumning av rommet. Når jorden går rundt solen, er det fordi solen krummer rommet slik at det er den naturlige måten for jorden å bevege seg.
Albert_Einstein.jpg
Library of Congress Prints and Photographs Division Washington

En konsekvens av Einsteins måte å beskrive tyngdekraften på, er at også lys burde følge krumningen til rommet. Det betyr at lys som beveger seg nær solen burde se ut til å følge en krum bane, og da er vi tilbake til Einstein sitt offentlige gjennombrudd.

Gjennombruddet

For at en fysisk teori skal få gjennomslag, må den komme med en forutsigelse som kan testes. Den første viktige testen kom bare noen få år etter at Einstein hadde publisert den generelle relativitetsteorien. Hvis lyset bøyes av tyngdekraften, vil det være lettest å se det for lys som beveger seg nær solen, siden tyngdekraften — eller altså rommets krumning - er spesielt sterk der.

For å unngå å bli blendet av alt lyset som kommer fra solen, må observasjonen gjøres under en solformørkelse. I mai 1919 organiserte Arthur Eddington en ekspedisjon til Principe utenfor kysten av Afrika der det ville bli en solformørkelse. Der observerte Eddington at når lyset fra stjerner passerer nær solen, blir lyset bøyd slik at stjernen ser ut til å ha en annen posisjon enn den egentlig har, akkurat som Einstein­ hadde forutsagt.

Nyheten om at relativitetsteorien var bekreftet, ble fortalt i alle store aviser verden rundt. Med det tok Einstein steget opp fra å være en anerkjent fysiker til å bli en vitenskapelig verdensstjerne.