Den fascinerende tyngdekraft

FOR omkring 300 år siden opstillede Isaac Newton nogle teorier om hvordan tyngdekraften virker. Han forestillede sig en mand der kastede en genstand fra toppen af et usædvanlig højt bjerg. Hvis genstanden blot blev sluppet, ville den falde ned mod jorden som et æble fra et træ.

Hvis den imidlertid blev kastet fremad ville den beskrive en kurve i sit fald mod jorden. Newton ræsonnerede som så, at hvis den blev kastet hurtigt nok ville den kredse om jorden i en bane.

Denne teori hjalp ham til at forstå forbindelsen mellem tyngdekraften og månens og planeternes bevægelser: Månen er bundet i en bane omkring jorden på grund af den tiltrækning jordens tyngdekraft øver, og planeterne holdes i deres baner af solens tyngdekraft.

En universel lov

Efter at have foretaget et grundigt studium formulerede Newton en præcis matematisk beskrivelse af denne universelle lov. Enkelt sagt viste Newtons ligninger at alle legemer, store som små, øver en tiltrækning på hinanden; graden af denne tiltrækning afhænger af legemernes masse og deres indbyrdes afstand.

Med nogen forbedring anvender fysikerne stadig Newtons grundlæggende formulering af tyngdeloven, ikke mindst i forbindelse med planlægning af rumprojekter, som da man sendte rumsonder op for at møde Halleys komet i 1985. Den engelske astronom Edmond Halley, en kollega til Newton, anvendte faktisk Newtons teorier da han forudsagde hvilket år kometen ville vise sig næste gang.

Newtons opdagelser vedrørende tyngdeloven gav ham et glimt af den orden universet åbenbarer, en orden der er opstået som følge af intelligens. Men med hans arbejde var det sidste ikke blevet sagt om emnet. I begyndelsen af dette århundrede nåede fysikerne frem til at nogle af aspekterne ved Newtons teorier var mangelfulde, ja endog uoverensstemmende.

Einstein og tyngdeloven

I 1916 fremsatte Albert Einstein sin almindelige eller generelle relativitetsteori. Hans forbløffende opdagelse gik ud på at tyngdeloven ikke alene former universet, men også styrer den måde vi ser og måler det på. Tyngdekraften påvirker endog den måde tiden måles på!

Det kan anskueliggøres ved hjælp af en illustration. Forestil dig rummet som et uendeligt, elastisk lagen. Hvis man anbringer et objekt på dette elastiske lagen, vil det danne en lille fordybning eller forsænkning. Ifølge Einsteins beskrivelse er jorden, solen og stjernerne som objekter på et elastisk lagen, idet de får rummet til at afbøjes ganske let. Hvis man ruller en genstand hen over det elastiske lagen, vil den blive afbøjet i en krum linje af det forsænkede område omkring objektet.

På samme måde bevæger jorden, planeterne og stjernerne sig i krumme baner, idet de følger de naturlige ’forsænkninger’ i rummet. Selv en lysstråle afbøjes når den passerer tæt forbi tunge objekter i universet. Endvidere forudsagde Einsteins ligninger at lys der påvirkes af tyngdekraften mister noget af sin energi; dette viser sig ved et svagt farveskift over mod den røde ende af det synlige spektrum. Fysikerne kalder dette fænomen for gravitationel rødforskydning.

Foruden at bringe klarhed over unøjagtighederne i forbindelse med Newtons opdagelser, afslørede Einsteins teori altså nye hemmeligheder om hvordan tyngdekraften fungerer i universet.

Fascinerende følgevirkninger

På grundlag af tyngdekraftens evne til at påvirke den måde lyset bevæger sig på, har astronomerne kunnet drage nogle forbløffende slutninger.

Ørkenrejsende har længe kendt til luftspejlinger — synsbedrag der ligner vand som flimrer. Nu har astronomer fotograferet kosmiske ’luftspejlinger’. Hvordan det?

Lys fra et meget fjernt objekt, der antages at være en galakses aktive kerne og kaldes en kvasar (eller kvasi-stellar, det vil sige stjernelignende), passerer andre galakser på sin vej mod jorden. Når lyset passerer en galakse afbøjes det af tyngdekraften, og derved dannes der to eller flere billeder af kvasaren. En iagttager på jorden, som regner med at han modtager lyset direkte, vil konkludere at han ser mere end ét objekt.

Et andet fascinerende aspekt ved konsekvenserne af Einsteins arbejde er de sorte huller. Hvad er de, og hvilken forbindelse har de til tyngdekraften? Et enkelt forsøg kan give svaret.

Prøv at kaste en genstand op i luften. Den vil stige til en vis højde, stå stille et øjeblik og derpå falde ned igen. Det forholder sig imidlertid anderledes med lys. En lysbølge kan undslippe jordens tyngdefelt på grund af sin store hastighed.

Forestil dig så at et legemes tyngdekraft var meget stærkere, så stærk at intet, end ikke lys, kunne undslippe. Da et sådant legeme ville være usynligt, eftersom intet lys kunne undslippe dets tyngdefelt og nå en iagttager udenfor, har man valgt at kalde det „et sort hul“.

Den tyske astronom Karl Schwarzschild var den første der påviste den teoretiske mulighed for sorte huller. Selv om der endnu ikke er noget klart bevis for at der virkelig findes sorte huller i universet, har astronomerne fundet en række mulige kandidater. Sorte huller kan imidlertid også være kvasarers skjulte energikilder.

Tyngdebølger

På baggrund af Einsteins arbejde kan man også betragte tyngdekraften som et usynligt net der forbinder alt og holder hele universet sammen. Hvad sker der når dette net bliver forstyrret?

Tænk igen på eksemplet med det elastiske lagen og forestil dig at et objekt på lagenet pludselig bliver puffet frem og tilbage. De vibrationer det fremkalder i lagenet vil påvirke nærliggende objekter. På samme måde kan det fremkalde krusninger eller tyngdebølger i rummet hvis der bliver ’puffet’ kraftigt til en stjerne. En planet, stjerne eller galakse der kom ind i en tyngdebølges bane ville reagere som om rummet trak sig sammen og udvidede sig — ligesom vibrationerne i et elastisk lagen.

Eftersom man endnu ikke har kunnet påvise eksistensen af disse bølger, hvilke beviser har fysikerne da for at Einsteins teori er sand? Et af de bedste vidnesbyrd kommer fra et stjernesystem der kaldes en dobbeltpulsar. Det består af to neutronstjerner i kredsløb om et fælles midtpunkt, med en omløbstid på omkring otte timer.a Den ene af disse stjerner er samtidig en pulsar — den udsender radiostråling når den roterer, omtrent som lyskeglen fra et fyrtårn. Takket være pulsarens regelmæssighed kan astronomerne kortlægge de to stjerners baner med stor nøjagtighed. De har opdaget at deres rotationstid langsomt mindskes, fuldstændig i harmoni med Einsteins teori om at de udsender tyngdebølger.

På jorden er virkningen af disse bølger uendelig lille. En illustration: Den 24. februar 1987 fik astronomerne øje på en supernova — en stjerne der var ved at undergå en imponerende forvandling idet dens yderste lag blæstes ud i rummet, mens den strålede med en kraft som millioner af sole. De tyngdebølger en supernova frembringer ville på jorden kun forårsage en ændring i dimensionerne på en milliontedel af et brintatoms diameter. Hvorfor så lille en ændring? Fordi energien ville blive spredt over et enormt område når bølgerne ramte jorden.

Vanskeligheder

Til trods for den øgede viden er visse grundlæggende aspekter af tyngdeloven stadig vanskelige at forstå for forskerne. Man har længe antaget at der er fire grundlæggende kræfter — den elektromagnetiske kraft der styrer elektriciteten og magnetismen, den svage og den stærke kernekraft der råder i et atoms kerne, og tyngdekraften. Men hvorfor er der fire? Kunne det ikke tænkes at de alle fire var forskellige udtryk for én grundlæggende kraft?

Det er for nylig blevet fastslået at den elektromagnetiske kraft og den svage kernekraft er forskellige fremtoninger af et fælles, grundlæggende fænomen, den elektrosvage forening, og teorier prøver nu at forene den stærke kernekraft med disse to. Imidlertid skiller tyngdekraften sig ud fra disse — den synes ikke at passe ind i de andre.

Forskerne håber at få nogle fingerpeg om dette ud fra nogle forsøg der er gjort i den grønlandske indlandsis. Ved målinger foretaget i et 2000 meter dybt borehul i isen viste det sig at tyngdekraften afveg fra det forventede. Tidligere forsøg der er blevet udført i mineskakter og fra tv-master, har ligeledes antydet at noget mystisk forårsagede afvigelser fra forudsigelserne i Newtons definition af tyngdekraften. Imidlertid forsøger nogle teoretikere at udvikle en ny matematisk indfaldsvinkel, kaldet „superstrengteorien“, til at forene naturkræfterne.

Tyngdekraften — en livsbetingelse

Både Newtons og Einsteins opdagelser viser at himmellegemernes bevægelser styres af visse love, og at tyngdekraften virker som et bånd der holder universet sammen. I en artikel i New Scientist henleder en professor i fysik opmærksomheden på vidnesbyrdene om at der står en højere intelligens bag disse love: „Den allermindste lille forandring i tyngdekraftens og elektromagnetismens relative styrke ville forvandle stjerner som solen til blå kæmper eller røde dværge. Alle vegne omkring os ser vi vidnesbyrd om at naturen har ramt helt rigtigt.“

Uden tyngdekraften ville vi ikke kunne leve. Tænk over følgende: Tyngdekraften holder sammen på vores sol og opretholder dens kernereaktioner som producerer varme og lys. Tyngdekraften holder vores roterende jord i dens bane omkring solen — så der er dag og nat og skiftende årstider — og forhindrer os i at blive slynget af som mudder fra et roterende hjul. Tyngdekraften holder jordens atmosfære på plads, mens den tiltrækning som månens og solens tyngdekraft øver, forårsager regelmæssigt tidevand der er med til at skabe cirkulation i havene.

Ved hjælp af et ganske lille organ i det indre øre (otolith) kan vi mærke tyngdekraften, og fra den spæde barndom lærer vi at tage hensyn til den når vi går, løber og hopper. Astronauter har derfor store problemer når de bliver udsat for vægtløshed under rumflyvninger.

Ja, tyngdekraften bidrager til at vi kan føre et normalt liv her på jorden. Den er i sandhed et fascinerende eksempel på Skaberens „undergerninger“. — Job 37:14, 16.

[Fodnote]

[Illustration på side 16]

Ifølge Newtons tyngdelov vil en fjer og et æble i et lufttomt rum falde med samme hastighed

[Illustration på side 17]

I rummet bliver lyset afbøjet når det passerer andre legemers tyngdefelter

[Illustration på side 18]

Fra barndommen hjælper et lille organ i det indre øre os til at tage hensyn til tyngdekraften og holde balancen