NRK Meny
Normal

Den vakreste teorien

I 1915 publiserte en helt spesiell mann en helt spesiell teori. Mannen het Albert Einstein, teorien het den generelle relativitetsteorien, og vitenskapen skulle aldri bli den samme.

GERMANY-SCIENCE-EINSTEIN

Einstein, som også var en habil fiolinist, i Princeton i 1931–16 år etter publiseringa av den generelle relativitetsteorien.

Foto: - / AFP

Arthur Eddington var en britisk astrofysiker som tidlig på 1900-tallet forklarte Einsteins generelle relativitetsteori til den engelsktalende delen av verden.

På et tidspunkt ble han intervjua av en journalist, som spurte om det var sant at bare tre personer forsto teorien om generell relativitet.

– Og hvem er så den tredje? repliserte Eddington.

– Sær og kontraintuitiv

I disse dager er det hundre år siden Albert Einstein publiserte den generelle relativitetsteorien. En teori de fleste har hørt om, men som de færreste virkelig forstår.

Historien om Eddingtons svar til journalisten er bare én av mange som bygger opp under myten om den uhyre vanskelige teorien. Da New York Times i 1919 publiserte en artikkelserie om den, innleda de med "vi beklager at det bare er 12 personer i verden som forstår dette".

Det er nok langt flere enn tolv personer som forstår den generelle relativitetsteorien. Men selv for rutinerte fagfolk kan den være vanskelig å komme helt til bunns i. Astrofysiker Jostein Riiser Kristiansen sier det på denne måten:

– Den generelle relativitetsteorien er den personen i vennegjengen jeg så gjerne vil bli bestis med. En jeg kjenner og kan prate med, men som jeg drømmer om å høre de innerste hemmelighetene til, og forstå på et dypere plan.

Litt av "problemet" med relativitetsteorien er at den for de aller fleste vil oppleves fremmed, og ikke som noe som kan knyttes til dagliglivet. Fysiker Bjørn Hallvard Samset sier at den beskrivelsen relativitetsteorien gir av universet har blitt en del av hans grunnforståelse av naturen, men at det ikke alltid har vært sånn.

– Relativitetsteorien virka sær og kontraintuitiv da jeg først lærte den, og selv om deler av den fortsatt er det så er de vanligste delene – som at lyshastigheten er konstant, at tiden er avhengig av tyngdekraften og at gravitasjon kanskje ikke egentlig er en kraft – blitt "sånn det er".

Tid, rom og tyngde

Men hva er det egentlig den generelle relativitetsteorien handler om? Vi gir Kristiansen og Samset hvert sitt forsøk på å forklare så kort som mulig.

– Den handler om hvordan tid og rom er vevd sammen, og hvordan denne veven gir opphav til det vi opplever som tyngdekrefter, sier Kristiansen.

Samset forteller at relativitetsteorien handler om hvordan naturen oppfører seg når ting går veldig fort, er veldig store, eller veldig tunge.

Vi er vant til hva som skjer når et menneske kaster et eple. Når universet kaster en galakse, eller CERN kaster en partikkel med lysets hastighet, er reglene subtilt annerledes. Oppførselen til sånne ting er det matematikken i relativitetsteorien forteller oss om.

Både Kristiansen og Samset trekker fram én mann som grunnleggende for deres forståelse av den generelle relativitetsteorien – professor Øyvind Grøn, som har forelest i generell relativitet på Blindern siden starten av åttitallet.

Grøn forklarer at den er en teori for tid, rom og gravitasjon, og siterer så den amerikanske kvantefysikeren John Archibald Wheeler:

– Masse forteller rommet hvordan det skal krumme, og rommet forteller masse hvordan den skal bevege seg.

Sin lykkeligste tanke

Den generelle relativitetsteorien bygger på den spesielle relativitetsteorien som kom ti år tidligere. Der generaliserte Einstein Newton og Galileis bevegelseslære, og ga oss et nytt syn på tiden, samtidighetens relativitet, at tid og rom henger sammen.

Fram til da hadde folk trodd at det eksisterte en slags absolutt tid – en universell klokkefasit. Det viste relativitetsteorien at ikke stemte. Alle har sin egen tid, og jo kjappere man beveger seg, desto langsommere går tiden.

Nå kom også begrepet romtid, og romtiden var firedimensjonal.

– Hvis man skal møte noen er det ikke nok å avtale de tre koordinatene som gjør at man er enig om en møteplass, man må også inkludere en fjerde koordinat, tid, som sier noe om når man skal møtes, forklarer Grøn.

Den spesielle relativitetsteorien handla om ikke-akselerert bevegelse, noe Einstein syntes var en svakhet med den. Men i 1907, på jobb ved patentkontoret i Bern, kom han på det han siden har kalt "sin lykkeligste tanke":

«Plutselig kom jeg på en tanke da jeg satt i en stol i patentkontoret i Bern. Hvis en person faller fritt, vil han ikke føle sin egen vekt. Jeg ble helt oppjaget. Denne enkle tanken gjorde et dypt inntrykk på meg. Den drev meg mot en gravitasjonsteori.»

Denne lykkelige tanken førte til at han utleda ekvivalensprinsippet, et av de grunnleggende prinsippene i den generelle relativitetsteorien.

Det sier at de fysiske virkningene av å være i et akselerert laboratorium i verdensrommet tilsvarer virkningene av å være i et laboratorium i et permanent gravitasjonsfelt.

Konsekvens: Hvis du er i et lite rom uten vinduer klarer du ikke å finne ut av om det rommet er i en akselerert rakett i verdensrommet, eller om det står bom stille på Jorda.

– Et paradigmeskifte

Ekvivalensprinsippet ble et gjennombrudd på veien mot den generelle relativitetsteorien, og etter hvert var det matematikken som ble flaskehalsen. Einstein måtte rett og slett lære seg differensialgeometri, noe han ikke kunne fra før, for å få de relativistiske gravitasjonsteorien på plass.

Etter å ha lært seg matematikken i 1912 brukte Einstein tre år på å ferdigstille sitt vitenskapelige magnum opus – den generelle relativitetsteorien kom i november 1915.

Vi har allerede hørt at teorien handler om tid, rom og tyngde, Grøn utdyper:

– Den generelle relativitetsteorien forteller oss at tiden går sakte langt nede i et tyngdefelt, og at masse krummer rommet. I tillegg gir den oss en ny oppfatning av tyngde, som ikke lenger regnes som en kraft.

Newtons beskrivelse av tyngdekraft fungerer fortsatt fint for folk flest, men relativitetsteorien tok for seg de tilfellene der den ikke fungerer, når ting går veldig fort eller er veldig tunge.

Når man skal lage universmodeller er man avhengig av nettopp det, å kunne beskrive ting som går veldig fort eller er veldig tunge på presist vis. Og det kunne Einstein.

– Einsteins universmodeller er en del av fundamentet for vårt verdensbilde. Før Einstein var kosmologi mer "tegne og fortelle", dette representerte et paradigmeskifte, forteller Grøn.

Den samlende vitenskapen

Det skulle ta fire år fra Einstein publiserte relativitetsteorien til den ble verdenskjent. Einstein forutsa at tyngdekraft ville bøye lyset omtrent dobbelt så mye som det Newton hadde forutsagt, for å teste det ville de observere hvordan lyset fra stjerner bøyes av det tyngste vi har i vårt solsystem – Sola.

For å unngå å bli blenda var de avhengige av å vente på en solformørkelse, og den kom i 1919. Tidligere nevnte Eddington organiserte en observasjon, og etter et halvt år med analyser kom resultatet – Einsteins forutsigelse var riktig.

– Det var sensasjonelt, britene viste at tyskerens teori var Newtons overlegen, like etter første verdenskrig. Det ble nesten en symbolsk handling, man kan nok ha øyna et håp om at vitenskapen kunne samle en splitta verden, sier Grøn.

Einstein ble verdensstjerne over natta. Det var kjempeoverskrifter i avisene, og Einstein ble historiens første vitenskapsuperkjendis. Da han kom til USA i 1921 ble han tatt imot som en idrettshelt, folk strømma ut i gatene for å se geniet.

Alt på grunn av den generelle relativitetsteorien.

– Det ble den vakreste teorien man hadde – basert på tre postulater kom det en hel drøss med resultater. Det virka som om naturen valgte Einsteins resultat, som om naturen adlyder teorien.

Og teorien står seg like godt i dag, etter hundre år. Grøn forteller at den kunne blitt falsifisert mange ganger, men at den har bestått alle testene.

– Vi kan nok være rimelig sikre på at den generelle relativitetsteorien blir stående, men at den etter hvert blir erstatta av noe enda mer solid.