Gravitationen — en fascinerande kraft

FÖR cirka 300 år sedan teoretiserade Isaac Newton om hur gravitationen verkar. Han föreställde sig en man som kastade ett föremål från toppen av ett ovanligt högt berg. Om han bara släppte föremålet, skulle det, precis som ett äpple, falla rakt ner till marken.

Men om han kastade det framåt, skulle fallet till marken bilda en krökt bana. Newton drog då slutsatsen att om föremålet kastades i väg med tillräckligt stor fart, så skulle det cirkla i en bana runt jorden.

Med utgångspunkt från dessa teorier fick han sambandet mellan gravitationen och månens och planeternas rörelser klart för sig: månen som följer sitt kretslopp kring jorden på grund av jordens dragningskraft och planeterna som hålls kvar i sina banor av solens dragningskraft.

En universell lag

Efter noggrant studium formulerade Newton en exakt matematisk beskrivning av denna universella lag. Enkelt uttryckt gick Newtons beräkningar ut på att alla föremål, stora som små, utövar dragningskraft på varandra och att styrkan hos denna dragningskraft beror på föremålens massa och avståndet mellan dem.

Frånsett smärre justeringar använder sig vetenskapsmän fortfarande av Newtons grundläggande formler för att beskriva gravitationen, i synnerhet när man planerar sådana rymdprojekt som då man skickade upp en rymdsond för att utforska Halleys komet 1985. Den engelske astronomen Edmond Halley, en kollega till Newton, använde faktiskt Newtons teorier för att förutsäga det år då denna komet skulle dyka upp nästa gång.

Newtons upptäckter angående gravitationen gav honom en glimt av den ordning som är uppenbar i universum, en ordning som uppkommit genom intelligent formgivning. Men i och med hans arbete var långt ifrån sista ordet i ämnet sagt. I början av vårt århundrade kom vetenskapsmän underfund med att vissa delar av Newtons teorier var bristfälliga och rentav felaktiga.

Einstein och gravitationen

År 1916 lade Albert Einstein fram sin allmänna relativitetsteori. Hans sensationella upptäckt var att gravitationen inte bara formar universum, utan också styr det sätt på vilket vi ser och mäter det. Ja, gravitationen påverkar till och med det sätt på vilket tiden mäts.

Än en gång kan vi förstå det bättre med hjälp av en illustration. Föreställ dig rymden som en oändlig gummimatta. Om man lägger ett föremål på en elastisk matta, bildas en fördjupning, eller inbuktning. Enligt Einsteins beskrivning kan jorden, solen och stjärnorna liknas vid föremål på en elastisk matta vilka får rymden att kröka sig. Om man låter ett annat föremål rulla på gummimattan, kommer dess bana att avledas och bli krökt av det inbuktade området kring det första föremålet.

På liknande sätt rör sig jorden, planeterna och stjärnorna i krökta banor och följer de naturliga ”inbuktningarna” i rymden. Även en ljusstråle viker av, när den på nära håll passerar stora objekt i universum. Vidare har man med hjälp av Einsteins formler kunnat räkna ut att ljus som färdas i riktning mot gravitationen förlorar något av sin energi, vilket märks som en liten förskjutning mot rött i färgspektrumet. Fysiker kallar detta fenomen relativistisk rödförskjutning.

Så förutom att klara ut de meningsskiljaktigheter som hade uppstått till följd av Newtons upptäckter uppenbarade Einsteins teori nya hemligheter om hur gravitationen verkar i universum.

Fascinerande effekter

Gravitationens förmåga att påverka den bana ljuset färdas i ger upphov åt några förvånansvärda konsekvenser som astronomer har iakttagit.

Ökenfarare har länge känt till fenomenet med hägringar — optiska villor som ser ut som skimrande vatten på marken. Nu har astronomer fotograferat kosmiska ”hägringar”. Hur då?

Ljus från ett avlägset objekt, som man tror är den aktiva kärnan i en galax och kallas kvasar (kvasistellär radiokälla), passerar flera galaxer i vår synlinje från jorden. När ljuset passerar galaxerna, böjs det av gravitationskrafterna. Böjningen av ljuset leder till att det bildas två eller fler bilder av den enda kvasaren. En observatör på jorden, som tror att ljuset har kommit i rät linje mot honom, drar slutsatsen att han ser mer än ett objekt.

En annan fascinerande aspekt till följd av Einsteins arbete gäller svarta hål. Vad är det för något, och vad har det med gravitation att göra? Ett enkelt experiment kan tjäna som svar.

Försök att kasta ett föremål rakt upp i luften. Du lägger märke till att det stiger till en viss höjd, stannar för ett ögonblick och sedan faller tillbaka till marken. Med ljuset är det annorlunda. En ljusstråle kan obehindrat lämna jordens gravitationsfält, eftersom den färdas med så stor hastighet.

Ponera nu att gravitationskraften var mycket starkare, så stark att den kunde hindra till och med ljuset att tränga ut. Ingenting skulle kunna lämna ett sådant objekt. Själva objektet skulle vara osynligt, eftersom inget ljus kan tränga ut ur dess gravitationsfält och nå ögat hos en iakttagare. Därav namnet svart hål.

Den tyske astronomen Karl Schwarzschild var den förste som i teorin påvisade möjligheten att det finns svarta hål. Även om man hittills inte har fått fram några entydiga bevis för att det verkligen finns svarta hål i universum, har astronomer identifierat ett antal möjliga kandidater. Svarta hål kan också vara dolda kraftkällor till kvasarer.

Gravitationsvågor

Med utgångspunkt från Einsteins arbete kan vi också likna gravitationen vid ett osynligt nät, som förenar allt och håller samman universum. Vad händer när det uppstår störningar i detta nät?

Tänk återigen på illustrationen med gummimattan, och ponera att ett föremål på mattan plötsligt knuffas fram och tillbaka. De rörelser som uppstår i mattan påverkar närliggande föremål. Likadant blir det om en stjärna får en våldsam ”knuff”. Då kan det uppstå vågrörelser i rymden, gravitationsvågor. För planeter, stjärnor eller galaxer som kommer i vägen för en gravitationsvåg blir det som om själva rymden vidgas och dras samman — precis som en gungande gummimatta.

Eftersom sådana vågor hittills inte har kunnat påvisas, vilka bevis har då forskarna för att Einsteins teori är korrekt? En av de bästa indikationerna på detta härrör från ett stjärnsystem som kallas binär pulsar. Det består av två neutronstjärnor som kretsar kring en gemensam mittpunkt med en omloppstid på cirka åtta timmar.a En av dessa stjärnor är också en pulsar — den utsänder en radiopuls för varje varv den roterar, ungefär som den svepande ljusstrålen från en fyr. Tack vare pulsarens exakta periodicitet kan astronomerna med stor precision kartlägga de två stjärnornas omloppstid. De finner att omloppstiden långsamt minskar, vilket exakt stämmer med Einsteins teori om att gravitationsvågor uppstår.

Dessa vågors inverkan på jorden är oerhört liten. Vi kan illustrera det med ett exempel. Den 24 februari 1987 upptäckte astronomer en supernova — en stjärna som genomgår en spektakulär förvandling. Den flammade upp med en ljusstyrka motsvarande miljoner solar, när dess yttre atmosfär exploderade. De gravitationsvågor som uppstod av supernovan skulle här på jorden medföra vibrationer i storleksordningen endast en miljondel av diametern hos en väteatom. Varför så små skiftningar? Därför att energin då vågorna når jorden är fördelad över ett så enormt stort rum.

En gåta

Trots stora kunskapsmässiga framsteg är vissa grundläggande aspekter på gravitationen fortfarande en gåta för vetenskapsmännen. Man har länge tagit för givet att det finns fyra grundläggande krafter — den elektromagnetiska kraften, som ger upphov åt elektricitet och magnetism, den svaga och den starka kraften inuti atomkärnan och gravitationen. Men varför finns det fyra? Skulle det kunna vara så att alla fyra är olika yttringar av en och samma urkraft?

Ganska nyligen konstaterade man att den elektromagnetiska kraften och den svaga kraften är yttringar av samma bakomliggande fenomen — elektrosvag kraft — och med hjälp av olika teorier försöker man nu koppla samman den starka kraften med dessa två. Gravitationen däremot är ”katten bland hermelinerna” — den tycks inte passa ihop med de övriga.

Vetenskapsmännen hoppas att få ledtrådar från experiment som utförs i Grönlands istäcke. Mätningar som gjorts i ett 2.000 meter djupt borrhål i isen gav värden på gravitationen som skilde sig från de förväntade. Även tidigare experiment som utförts i gruvhål och på TV-master har visat att det av någon oförklarlig anledning uppstår avvikelser från de förutsägelser man gjort med hjälp av Newtons beskrivning av gravitationen. För närvarande håller några teoretiker på att utveckla ett nytt sätt att matematiskt förena naturkrafterna, den så kallade ”supersträngsteorin”.

Gravitationen — en livsnödvändig kraft

Både Newtons och Einsteins upptäckter visar att himlakropparnas rörelser styrs av lagar och att gravitationen fungerar som ett band som håller samman universum. En professor i fysik, som skrev i New Scientist, riktade uppmärksamheten på hur dessa lagar vittnar om formgivning och sade: ”Minsta lilla förändring i den relativa styrkan hos gravitationen och de elektromagnetiska krafterna skulle få stjärnor som solen att förvandlas till blå jättar eller röda dvärgar. Överallt omkring oss tycks vi se bevis för att naturen har fått det att stämma precis.”

Utan gravitationen skulle vi helt enkelt inte kunna existera. Tänk bara på följande: Gravitationen håller samman vår sol och håller i gång dess kärnreaktioner, varigenom vårt behov av värme och ljus fylls. Gravitationen håller kvar vårt roterande jordklot i en bana runt solen — varigenom dag och natt och de olika årstiderna uppkommer — och förhindrar att vi slungas i väg som en lerklump från ett roterande hjul. Jordatmosfären hålls på plats tack vare gravitationen, samtidigt som dragningskraften från månen och solen ger upphov åt en tidvattenscykel som bidrar till att vattnet i oceanerna cirkulerar.

Med hjälp av en liten bildning i innerörat (otolit) kan vi känna gravitationen och alltifrån barndomen lära oss att ta den med i beräkningen när vi går, springer eller hoppar. Tänk så mycket svårare det är för astronauterna, när de måste utstå tyngdlöshet i samband med rymdflygningar.

Ja, gravitationen bidrar till att göra livet på jorden normalt för oss. Denna kraft är sannerligen ett fascinerande exempel på vår Skapares ”underbara verk”. — Job 37:14, 16.

[Fotnoter]

[Bild på sidan 16]

I vakuum faller en fjäder med samma hastighet som ett äpple, enligt Newtons gravitationslag

[Bild på sidan 17]

Ljuset böjs i rymden, när det passerar igenom andra himlakroppars gravitationsfält

[Bild på sidan 18]

Ända från tidig barndom hjälper oss en liten bildning i örat att ta med gravitationen i beräkningen och hålla balansen