Hversu hratt breiðast áhrif þyngdarafls út?

Svar

Hér er svarað eftirtöldum spurningum:

• Hversu hratt breiðast áhrif þyngdarafls út? (Björn Reynisson)
• Hvað er hlutur lengi að finna fyrir þyngdaráhrifum annars hlutar? „Samstundis“ eða með hraða ljóssins? (Jón Pétursson)
• Hversu hratt ferðast þyngdarkrafturinn? (Benjamín Sigurgeirsson)
• Verkar þyngdarafl í geimnum samstundis um allan geiminn eða breiðast áhrif þess út með hraða ljóssins? (Sævar Ingþórsson)

Þyngdaraflið berst mjög líklega með ljóshraða, en það hefur þó aldrei verið staðfest með mælingum.



Til að skilja betur hvað átt er við með útbreiðsluhraða þyngdaraflsins getum við velt því fyrir okkur hvað gerðist ef sólin hyrfi skyndilega úr miðju sólkerfisins. Hvernig mundi jörðin bregðast við slíkum hamförum?

Við vitum að eftir átta mínútur og tuttugu sekúndur myndi myrkur skella á, því það er sá tími sem það tekur ljósið að berast frá sólu og ljósið sem er þegar lagt af stað til jarðarinnar myndi að sjálfsögðu skila sér á leiðarenda jafnvel þótt uppsprettan væri horfin. En hvað með þyngdarkraftinn? Mundi jörðin halda áfram að snúast um sólina um hríð eða færi hún strax af sporbaug og héldi áfram beint út í buskann? Svarið við þeirri spurningu fer eftir því hvað þyngdaraflið berst hratt.

Hugmyndir manna um þyngdarafl og þyngdarhraða hafa breyst mjög í tímans rás. Enski eðlisfræðingurinn Isaac Newton (1642-1727) setti fyrstur fram heilsteypta kenningu um þyngdaraflið á seinni hluta sautjándu aldar. Þar gerði hann ráð fyrir svokölluðum fjarhrifum (action at a distance), það er að segja að þyngdarkrafturinn milli tveggja massa verkaði samstundis, óháð því hversu langt væri á milli þeirra. Þetta var mjög byltingarkennd hugmynd því að áður höfðu menn talið að kraftar gætu aðeins verkað með snertingu.

Enn var þó varla tímabært að spyrja um þyngdarhraðann því að menn þurftu fyrst að átta sig á því að ljóshraðinn væri endanlegur. Sú saga byrjaði árið 1676 þegar danska stjörnufræðingnum Ole Rømer (1644-1710) tókst að mæla ljóshraðann. Þá fyrst gátu menn látið sér detta í hug að þyndaraflið ferðaðist líka með einhverjum endanlegum hraða.

Um hundrað árum síðar rannsakaði franski stærðfræðingurinn og eðlisfræðingurinn Pierre-Simon Laplace (1749-1827) útbreiðsluhraða þyngdarkraftsins og komst að því að hann þyrfti að vera að minnsta kosti milljón sinnum meiri en ljóshraðinn. Kraftur á massa sem er á hringhreyfingu verður nefnilega að stefna nánast beint inn að miðju, annars er kerfið óstöðugt. Með því að beita þyngdarfræði Newtons en gera jafnframt ráð fyrir endanlegum þyngdarhraða komst Laplace að því að áðurnefnd mörk væru nauðsynleg til þess að tryggja stöðugleika sólkerfisins.

Það er alveg rétt hjá Laplace að þyngdarkraftur sólarinnar á jörðina er ekki nákvæmlega í sömu stefnu og ljósið sem kemur frá sólinni. Ljósið kemur þaðan sem sólin var fyrir átta mínútum og tuttugu sekúndum, en þyngdarkrafturinn er í átt að sólinni þar sem hún er núna. Hins vegar er ekki rétt að túlka þessa niðurstöðu þannig að þyngdarkrafturinn berist hraðar en ljósið, þótt ekki hafi verið annarra kosta völ í þyngdarfræði Newtons.

Upp úr 1900 komu fram nýjar hugmyndir um þyngdaraflið sem mótuðust síðan til fulls í almennri afstæðiskenningu Alberts Einsteins árið 1915. Samkvæmt henni er þyngdarhraðinn jafn ljóshraða í þeim skilningi að til dæmis þyngdarbylgjur, sem meira verður sagt frá hér á eftir, ferðast með ljóshraða, en þyngdarkraftinum í sígildum skilningi var vikið til hliðar. Í mörgum tilvikum er þyngdarfræði Newtons þó góð nálgun á þyngdarfræði Einsteins og það getur verið gagnlegt að nota hugtakið þyngdarkraftur þegar menn fást við tiltölulega veik þyngdarsvið og massa sem ferðast ekki mjög hratt.

Þegar brautarhreyfing jarðar um sólu er skoðuð verður hins vegar að nota almennu afstæðiskenninguna í allri sinni dýrð og þótt ótrúlegt megi virðast spáir kenningin því að frá jörðu séð virðist miðsóknarkrafturinn ávallt stefna beint að sólu jafnvel þótt þyngdarhraðinn sé endanlegur. Þessi niðurstaða er alls ekki augljós en staðreynd engu að síður.

Eins og áður var sagt hefur útbreiðsluhraði þyngdaraflsins aldrei verið mældur beint á tilraunastofu líkt og til dæmis ljóshraðinn. Þyngdaraflið er einfaldlega of veikt, miðað við aðra krafta, til þess að slík mæling sé möguleg með nútímatækni. Tiltölulega auðvelt er að mæla ljóshraðann því ljósið er rafsegulbylgja og menn eru orðnir nokkuð góðir í að meðhöndla þær. Á sama hátt væri því besta leiðin til að ákvarða þyngdarhraðann að mæla hraðann á svokölluðum þyngdarbylgjum.

Samkvæmt almennu afstæðiskenningunni mynda miklar hamfarir, eins og til dæmis árekstur og samruni tveggja svarthola, truflun í tímarúminu sjálfu sem breiðist síðan út með þyngdarhraða líkt og gárur á vatni. Þessar bylgjur köllum við þyngdarbylgjur. Einstein spáði fyrir um tilvist þeirra árið 1916 en þrátt fyrir mikla viðleitni hafa þær aldrei greinst í tilraunum. Stjarnvísindamenn hafa þó góðar ástæður fyrir því að trúa á tilvist þyngdarbylgna og styðjast þá til dæmis við mælingar á orkutapi tvístirnisins PSR 1913+16. Nánari umfjöllun um þær er þó efni í annað svar og verður því að bíða betri tíma.

Flestir fræðimenn telja að ástæðan fyrir því að þyngdarbylgjur hafi aldrei mælst sé einfaldlega sú að þær þyngdarbylgjur sem berast til jarðar eru mjög veikar og því þyrfti óhemju nákvæm mælitæki til að greina þær. Meðan þyngdarbylgjur eru ómælanlegar, er lítil von til þess að menn geti mælt hraðann á þeim.

Í janúar 2003 varð uppi fótur og fit þegar hópur vísindamanna undir forystu Sergei Kopeikin kvaðst hafa mælt þyngdarhraðann með heldur óvenjulegri aðferð. Í stað þess að mæla útbreiðsluhraðann beint, mældu þeir hversu mikið ljósgeislar frá fjarlægu dulstirni sveigðu af leið við það að fara framhjá reikistjörnunni Júpíter. Út frá þessum upplýsingum, ásamt nákvæmum gögnum um hraða og massa Júpíters, sögðust vísindamennirnir geta reiknað út þyngdarhraðann. Niðurstaða þeirra var sú að ferðarhraði þyngdaraflsins væri 1,06 ± 0,21 sinnum ljóshraðinn. Fréttin var blásin upp í fjölmiðlum og rataði meðal annars á síður íslenskra dagblaða.

Í vísindaheiminum var þessi niðurstaða þó aldrei samþykkt. Kopeikin hafði borið ábyrgð á kennilega þættinum í verkefninu og við nánari athugun kom í ljós að honum höfðu sennilega orðið á mistök við fræðilega útleiðslu. Þegar þetta er skrifað er ekki komin endanleg niðurstaða í málið, en flestir fræðimenn telja að Kopeikin og félagar hafi í raun aðeins verið að mæla ljóshraðann en ekki þyngdarhraðann.

Þótt mæling Kopeikin og félaga hafi ekki aukið þekkingu okkar á útbreiðsluhraða þyngdaraflsins telja langflestir fræðimenn engu að síður að þyngdarhraðinn sé sá sami og ljóshraðinn. Í dæminu sem sett var fram í upphafi svarsins myndu jarðarbúar því verða varir við breytingu á þyngdaraflinu frá sólinni á nákvæmlega sama tíma og jörðin yrði hulin myrkri.

Að lokum gæti verið gaman að segja frá nýstárlegum kenningum um svonefnda himnuheima þar sem þyngdarhraðinn er ekki nauðsynlega sá sami og ljóshraðinn. Fyrst þarf þó að kynna þyngdareindina til sögunnar. Í skammtasviðsfræði eru það ljóseindir sem bera rafsegulvíxlverkunina og því er útbreiðsluhraði rafkrafta og segulkrafta nákvæmlega ljóshraði. Í þyngdarskammtafræði (til dæmis strengjafræði) er það svokölluð þyngdareind (graviton) sem ber þyngdaraflið. Hún er massalaus og ferðast því, eins og allar aðrar massalausar agnir, á ljóshraða.

Nýlega hafa hugmyndir verið settar fram til að útskýra hvers vegna þyngdarvíxlverkunin er miklu veikari en aðrar víxlverkanir í náttúrunni. Samkvæmt þessum hugmyndum er heimurinn eins og við sjáum hann þrívíð himna (+tími) í rúmi af hærri vídd. Allt efni og flestir kraftar eru skorðaðir við þessa þrí-himnu, en þyngdaraflið getur „lekið út“ í viðbótarvíddirnar og þess vegna er það jafn veikt og raun ber vitni. Í þessu líkani er vel hægt að hugsa sér að þyngdareindir geti stytt sér leið í gegnum viðbótarvíddirnar. Frá okkur séð gætu þær þá virst fara hraðar en ljósið, þótt þeim sjálfum fyndist þær fara á ljóshraða.

Þess ber að geta að hugmyndin um himnuheima er ekki staðfest eðlisfræðikenning, hún er aðeins ein af mörgum hugmyndum sem menn velta fyrir sér í leit að sameinaðri kenningu um skammtafræði og þyngdarfræði.

Lesa má nánar um ýmis atriði í þessu svari í eftirtöldum svörum á Vísindavefnum:

• Ívar Daði Þorvaldsson: Hvað er sólarljósið lengi á leið til jarðar?
• Þorsteinn Vilhjálmsson:
  • Af hverju getur ljósið ferðast svona hratt?
  • Hvernig „verkar“ afstæðiskenning Einsteins? Hvernig getur hún útskýrt betur hvað er að gerast í alheiminum?
• Lárus Thorlacius:
  • Er um að ræða eitthvert miðsóknarafl í afstæðiskenningunni vegna þyngdaraflsins?
  • Getur rúmið sem við hrærumst í haft fleiri víddir en þær þrjár sem við eigum að venjast?
  • Hvernig hljómar strengjakenningin og hver er hin sennilegasta minnsta eining?
• Þórður Jónsson: Hvað er átt við með sveigðu tímarúmi og hvernig tengist það aðdráttarafli?
• Kristján Rúnar Kristjánsson: Hvað er „samsviðskenningin“ og hvað gengur hún nákvæmlega út á?

Myndir:

• Quantum Mechanics á vefsetrinu Fusionanomaly.net
• The European Enlightenment á New Geneva-vefnum
• Department of Physics and Astronomy hjá háskólanum í Missouri