Hið hrífandi þyngdarafl

FYRIR hér um bil 300 árum setti Isaac Newton fram kenningar um eðli þyngdaraflsins. Hann ímyndaði sér mann kasta frá sér hlut af tindinum á afarháu fjalli. Ef hann léti hlutinn hreinlega detta úr hendi sér myndi hann falla beint til jarðar eins og epli úr tré.

Væri hlutnum kastað í lárétta stefnu myndi hann falla eftir bogadreginni braut til jarðar. Newton færði síðan rök fyrir því að væri hlutnum kastað með nægilegum hraða myndi hann lenda á sporbaug um jörðu.

Út frá þessari kenningu gat hann skýrt tengslin milli þyngdaraflsins og hreyfinga tungls og reikistjarna. Tunglið er á sporbaug um jörðu vegna aðdráttarafls jarðar, og reikistjörnurnar á braut um sólu vegna aðdráttarafls sólar.

Alheimslögmál

Eftir ítarlegar rannsóknir setti Newton fram nákvæma stærðfræðiformúlu til að lýsa þessu alheimslögmáli. Í einfaldaðri mynd má segja að stærðfræðijöfnur Newtons lýsi því að allir hlutir, smáir sem stórir, togi hver í annan og að aðdráttarkrafturinn sé háður massa hlutanna og innbyrðis fjarlægð þeirra.

Vísindamenn nota enn stærðfræðiformúlur Newtons um aðdráttaraflið, með smávægilegum viðbótum, ekki síst í sambandi við undirbúning geimferða svo sem þá er geimfar var sent til fundar við halastjörnu Halleys árið 1985. Enski stjarnfræðingurinn Edmond Halley, samstarfsmaður Newtons, notaði reyndar kenningar Newtons til að spá því hvaða ár reikistjarnan myndi birtast aftur.

Uppgötvanir Newtons varðandi þyngdarlögmálið gáfu honum innsýn í þá reglu sem einkennir alheiminn, reglu sem lýsir snilldarlegri hönnun. En þótt Newton hafi lagt grundvöllinn átti hann sannarlega ekki síðasta orðið í málinu. Í byrjun þessarar aldar varð vísindamönnum ljóst að kenningar Newtons voru að sumu leyti ófullnægjandi og jafnvel innbyrðis ósamkvæmar.

Einstein og þyngdarlögmálið

Árið 1916 setti Albert Einstein fram hina almennu afstæðiskenningu sína. Hann hafði gert þá furðulegu uppgötvun að þyngdarlögmálið mótar ekki aðeins alheiminn heldur ræður því einnig hvernig við sjáum hann og mælum hann. Þyngdarlögmálið hefur meira að segja áhrif á það hvernig við mælum tímann!

Við skulum líta á dæmi til glöggvunar. Ímyndaðu þér rúmið eins og óendanlega stóran gúmmídúk. Hlutur lagður á sveigjanlegan dúkinn dældar hann eilítið. Samkvæmt kenningu Einsteins má líkja jörðinni, sólinni og stjörnunum við kúlur á gúmmídúknum sem valda sveigju í rúminu. Sé kúlu rennt eftir dúknum beygir hún af beinni braut er hún fer fram hjá fyrsta hlutnum, vegna sveigjunnar sem hann veldur.

Á sama hátt ganga jörðin, reikistjörnurnar og stjörnurnar eftir sporbaugum vegna hinnar eðlilegu „sveigju“ í rúminu. Jafnvel ljósgeisli beygir frá beinni línu er hann fer nálægt efnismiklum hlutum í geimnum. Stærðfræðijöfnur Einsteins gerðu ráð fyrir því að ljós, sem stefndi í gagnstæða átt við aðdráttaraflið, tapaði við það orku, og það birtist sem örlítil færsla litrófslína í átt til lengri bylgjulengda, þ.e. til hins rauða hluta litrófsins. Vísindamenn nefna þetta fyrirbæri þyngdarrauðvik.

Auk þess að skýra ýmiss háttar ónákvæmni í kenningum Newtons dró kenning Einsteins fram í dagsljósið nýja leyndardóma um starfsemi þyngdaraflsins í alheiminum.

Athyglisverð áhrif

Sú staðreynd að aðdráttaraflið skuli hafa áhrif á ljós hefur ýmsar furðulegar afleiðingar sem stjarnfræðingar hafa orðið vitni að.

Eyðimerkurfarar hafa lengi þekkt svonefndar hillingar — endurspeglanir sem líta út eins og glitri á vatn við sjóndeildarhring. Nú hefur stjarnfræðingum tekist að ljósmynda eins konar „hillingar“ í geimnum. Hvernig lýsa þær sér?

Ljós frá mjög fjarlægum hlut, talinn vera hinn virki kjarni stjörnuþoku og nefndur dulstirni (eða kvasi, fyrirbæri sem líkist stjörnu), fer fram hjá öðrum stjörnuþokum í sjónlínu frá jörðu. Er ljósið fer fram hjá stjörnuþokunum beygir aðdráttaraflið það af leið þannig að sést geta tvær eða fleiri myndir af einu dulstirni frá jörðu séð. Athugandi á jörðu, sem reiknar með að ljósið fari í beina línu, heldur að hann sjái fleiri en einn hlut.

Önnur athyglisverð ályktun, sem draga má af kenningum Einsteins, er tengd svonefndum svartholum. Hvað eru svarthol og hvernig tengjast þau þyngdarlögmálinu? Því má svara með einfaldri tilraun.

Prófaðu að kasta bolta beint upp í loftið. Þú sérð að hann nær ákveðinni hæð, staðnæmist eitt augnablik og fellur síðan aftur til jarðar. Ljósgeisli kemst hins vegar út úr aðdráttarsviði jarðar vegna þess hve ljóshraðinn er mikill.

Gerum nú ráð fyrir að þyngdaraflið sé langtum sterkara, nógu sterkt til að ekkert geti sloppið út úr þyngdarsviðinu, ekki einu sinni ljós. Slíkt fyrirbæri hlýtur að vera ósýnilegt þar eð ekkert ljós getur sloppið út úr aðdráttarsviði þess og náð augum athuganda annars staðar. Því er það nefnt svarthol.

Þýski stjarnfræðingurinn Karl Schwarzschild var fyrstur til að sýna fram á fræðilegan möguleika þess að svarthol væru til. Enda þótt enn séu engar óyggjandi sannanir fyrir því að svarthol séu til í raun og veru í alheiminum hafa stjarnfræðingar bent á nokkra hugsanlega möguleika. Hugsanlegt er talið að svarthol geti einnig verið hinir huldu aflgjafar dulstirnanna.

Þyngdarbylgjur

Út frá kenningum Einsteins mætti einnig hugsa sér þyngdaraflið sem ósýnilegt net eða vef sem tengir allt og heldur alheiminum saman. Hvað gerist ef hreyft er við netinu?

Við skulum aftur hugsa okkur alheiminn sem gúmmídúk og ímynda okkur að ýtt sé skyndilega við einhverjum hlut, sem liggur á honum, þannig að hann sveiflist til og frá. Titringurinn, sem myndast við það, hefur áhrif á nærliggjandi hluti. Á sama hátt gæti það framkallað gárur eða þyngdaraflsbylgjur í geimnum ef stjarna „hristist“ skyndilega. Reikistjörnur, stjörnur eða stjörnuþokur, sem yrðu á vegi þyngdaraflsbylgju, myndu hristast eins og rúmið væri að dragast saman og þenjast út — líkt og við titring í gúmmídúknum.

Enn hefur ekki tekist að mæla slíkar bylgjur og því má spyrja hvaða sannanir vísindamenn hafi fyrir því að kenning Einsteins sé rétt. Einhverja bestu vísbendinguna er að fá frá tvístirni þar sem önnur stjarnan er tifstjarna. Í slíku stjörnukerfi eru tvær nifteindastjörnur sem snúast um sameiginlegan miðpunkt með um átta stunda umferðartíma.a Tifstjarnan sendir frá sér útvarpsbygljur um leið og hún snýst, ekki ósvipað og viti sendir frá sér ljósgeisla. Umferðartími tifstjörnunnar er svo reglufastur að stjarnfræðingar geta kortlagt brautir stjarnanna tveggja með mikilli nákvæmni. Þeir hafa komist að raun um að umferðartíminn styttist hægt og hægt, í fullkomnu samræmi við kenningu Einsteins um þyngdaraflsbylgjurnar.

Áhrif þyngdaraflsbylgnanna á jörðina eru óendanlega lítil. Tökum dæmi: Þann 24. febrúar 1987 komu stjarnfræðingar auga á sprengistjörnu — stjörnu sem var að taka mikilli og skyndilegri breytingu er fólst í því að ysta lagið þeyttist út í geiminn og ljósaflið varð á við milljónir sólna. Þyngdaraflsbylgjurnar, sem fylgdu þessari umbyltingu, hefðu hrist jörðina um aðeins einn milljónasta úr þvermáli vetnisatóms. Hvers vegna ekki meira? Vegna þess að orkan var búin að dreifast um gríðarlega víðáttu áður en bylgjurnar náðu til jarðar.

Torskilið náttúrulögmál

Þrátt fyrir aukna þekkingu og framfarir á sviði vísinda eru ýmsar gátur þyngdarlögmálsins enn óráðnar. Menn hafa lengi gengið út frá því að í aðalatriðum sé um að ræða fjóra krafta í alheiminum — rafsegulkraftinn sem er orsök rafmagns og segulmagns, veiku og sterku kraftana í kjarna atómsins og að síðustu þyngdarkraftinn. En hvers vegna eru þeir fjórir? Getur hugsast að allir fjórir séu aðeins ólíkar myndir eins undirstöðukraftar?

Nýlega töldu vísindamenn sig geta sýnt fram á að rafsegulkrafturinn og veiki krafturinn séu tvær myndir eins og sama fyrirbæris —svonefndrar rafsegulveikrar víxlverkunar — og ýmsar kenningar eru í smíðum í því skyni að sameina sterka kraftinn hinum tveim. Þyngdarkrafturinn sker sig þó úr — hann virðist ekki geta fallið í sama flokk og hinir.

Vísindamenn vonast til að tilraunir, sem nýlega voru gerðar á Grænlandsjökli, kunni að gefa einhverjar vísbendingar. Mælingar í 2000 metra djúpri borholu í ísnum gáfu til kynna að þyngdaraflið væri annað en búist hafði verið við. Fyrri tilraunir gerðar í námugöngum og sjónvarpsmöstrum höfðu einnig gefið til kynna einhver dularfull frávik frá skilgreiningu Newtons á þyngdaraflinu. Þá eru ýmsir kenningasmiðir að reyna að sameina náttúruöflin með því að nálgast gátuna frá nýrri hlið með aðferðum stærðfræðinnar. Sú kenning er kölluð „ofurstrengjafræðin.“

Þyngdaraflið er nauðsynlegt lifandi verum

Uppgötvanir bæði Newtons og Einsteins sýna að þau hreyfilögmál, sem ráða ferðum himintungla, og þyngdaraflið halda alheiminum saman. Í grein í tímaritinu New Scientist vekur prófessor í eðlisfræði athygli á að þessi náttúrulögmál beri mörg merki hönnunar og segir: „Allra minnsta breyting á innbyrðis styrkleika þyngdaraflsins og rafsegulkraftanna myndi breyta stjörnum á borð við sólina í bláa risa eða rauða dverga. Allt í kringum okkur sjáum við merki þess að náttúran hafi hitt á réttan styrkleika.“

Án þyngdaraflsins gætum við ekki lifað. Hugleiddu eftirfarandi: Þyngdaraflið heldur sólinni okkar saman og viðheldur kjarnahvörfum hennar sem sjá okkur fyrir birtu og yl. Jörðin snýst um möndul sinn og þyngdaraflið heldur henni á braut um sólu, þannig að dagur, nótt og árstíðir skiptast á, og þyngdaraflið kemur jafnframt í veg fyrir að við þeytumst út í geiminn eins og mold af hjóli sem snýst. Þyngdaraflið heldur andrúmslofti jarðar á sínum stað, og aðdráttarafl tungls og sólar veldur reglubundnum sjávarföllum sem stuðla að hringrás vatnsins í höfunum.

Með agnarsmáu líffæri í innra eyranu (eyrnavölunni) skynjum við aðdráttarafl jarðar og lærum frá blautu barnsbeini að taka tillit til þess þegar við göngum, hlaupum eða stökkvum. Geimfarar eiga sannarlega ekki sjö dagana sæla þegar þeir eru í algeru þyngdarleysi úti í geimnum.

Já, þyngdaraflið stuðlar að því að við getum lifað eðlilegu lífi hér á jörðinni. Sannarlega er það hrífandi dæmi um ‚dásemdir Guðs,‘ hin stórfenglegu verk hans. — Jobsbók 37:14, 16.

[Neðanmáls]

[Mynd á blaðsíðu 21]

Þyngdarlögmál Newtons segir að í lofttómu rúmi sé fallhraði eplis og fjaðrar sá sami.

[Mynd á blaðsíðu 22]

Ljós beygir frá beinni stefnu er það fer gegnum aðdráttarsvið himintungla.

[Mynd á blaðsíðu 23]

Allt frá unga aldri hjálpar agnarsmátt líffæri í innra eyranu okkur að taka tillit til þyngdaraflsins og halda jafnvægi.