Jagten på tyngdekraften åbner syv skjulte dimensioner

Tyngdekraften holder vores ben urokkeligt plantet på Jorden, men faktisk er den mange gange svagere end de andre naturkræfter. Fysikerne har også ledt forgæves efter en partikel, der overfører tyngdekraften – men måske ligger svaret på gåden gemt i syv hidtil ukendte dimensioner i universet.

Shutterstock

Få dage efter at astronauten Jack Lousma var vendt hjem til Jorden fra et to måneder langt ophold på den amerikanske rumstation Skylab, satte han sin aftershave­flaske fra sig midt i den tomme luft.

Et brag og en byge af glasskår mindede ham brat om, at det var en dårlig idé. På rumstationen havde han vænnet sig til, at ting svævede frit omkring i vægtløsheden.

Men i et badeværelse på planeten Jorden hersker der helt andre regler. Her er vi underlagt tyngdekraften, og selvom den umiddelbart ikke gør meget væsen af sig, regerer den over både stort og småt – også over aftershave.

Når du løfter kaffekoppen fra bordet, fornemmer du svagt den usynlige kraft. Når din smartphone knalder ned i asfalten, er det også den, der er på spil. Og når du træder ned fra badevægten, bestemmer den, hvilket tal nålen peger på.

Faktisk ville Jorden og universet slet ikke eksistere, hvis det ikke var for tyngdekraften.

© Marie Wengler

For næsten 14 milliarder år siden, efter big bang, sørgede tyngdekraften for at trække stoffet sammen, så stjerner og planeter blev dannet.

Og når den Jord, vi lever på, er rund, skyldes det samme kraft. Tyngdekraften forsøger nemlig at trække alt det, planeterne består af, ind mod deres centrum, men fordi materialet ikke kan presses helt sammen, får de form som kugler.

Tyngdekraften regerer kort sagt som universets mægtigste konge. Men selvom den umiddelbart kan virke indlysende, er den en af videnskabens største gåder. Hver gang, det er lykkedes forskerne at løfte en lille flig af sløret, er de løbet hovedkulds ind i nye problemer.

Det helt store spørgsmål, der stadig står ubesvaret, er, hvordan tyngdekraften overføres.

Nogle forskere antager, at det er en partikel, der formidler kraften, men selvom de allerede har døbt partiklen – den hedder en graviton – har de trods ihærdige anstrengelser endnu ikke haft held med at fange den på fersk gerning.

Takket være genier som Isaac Newton og Albert Einstein ved vi i dag, hvordan tyngdekraften virker mellem fx Jorden og en raket, og hvordan den får planeter til at rotere om deres stjerner.

Men hvordan den virker på atomniveau, er et mysterium, som forskerne stadig knokler for at løse. Hvis det lykkes, vil vi måske stå med selve “brugsanvisningen” til universet – fra den mindste elementarpartikel til den største galakse.

Sten og vand længes tilbage til Jorden

Omkring år 1600 kravlede italieneren Galileo Galilei op i et tårn og kastede to metalkugler ud. Det skulle blive begyndelsen på den videnskabelige udforskning af tyngde­kraften.

Galilei nærede en god portion skepsis over for det etablerede verdensbillede, som havde rødder helt tilbage til omkring 350 år før vores tidsregning.

Dengang indså den græske filosof Aristoteles, at objekters fald mod Jorden måtte have en årsag – og set med Aristoteles’ øjne var årsagen indlysende: Ting falder mod Jorden, fordi de søger tilbage til det sted, de oprindeligt kommer fra.

En sten kommer fra Jorden, ergo søger en sten, der falder, mod Jorden. Det samme gør vand, som jo også hører naturligt hjemme på vores planet. Ild og luft derimod er af ikke-jordisk natur og stiger derfor til vejrs, hævdede Aristoteles.

Han var desuden overbevist om, at jo tungere en genstand er, jo travlere har den med at vende tilbage til sit udgangspunkt og blive forenet med sit rette element – kort sagt falder tungere genstande ifølge grækeren hurtigere end lette.

© Marie Wengler

Den teori forekom så indlysende sand, at der skulle komme til at gå knap to tusind år, før nogen satte spørgsmålstegn ved den. Det var her, Galilei trådte ind på scenen.

Blandt professorerne på universitetet i Pisa havde Galileo Galilei ry for at være en uhyre begavet studerende, men også for at være stædig, grænsende til det ulidelige. Alt satte han spørgsmålstegn ved.

Som 17-årig var han i 1581 begyndt at studere medicin, men egentlig brændte han mere for matematik og mekanik, og noget nagede ham.

Hver gang hans undervisere talte om Aristoteles’ lære, gjorde Galilei indsigelser. Han nægtede at acceptere, at en genstands vægt har nogen som helst betydning for, hvor hurtigt den falder.

I et lufttomt rum, hvor luftmodstanden ikke spiller nogen rolle, vil ethvert legeme falde med præcis samme hastighed – og en sten falder ikke hurtigere end en fjer, mente Galilei.

Omkring år 1600 besluttede han sig for at omsætte teori til handling: Slæbende på både en tung og en let metalkugle tog han trapperne op til toppen af et tårn – ifølge myten Det Skæve Tårn i Pisa – for at udføre et eksperiment.

Hundredvis af nysgerrige sjæle var ifølge overleveringen stimlet sammen for foden af tårnet for at se den genstridige Galilei gøre sig selv til grin.

Tunge og lette kugler falder lige hurtigt

Med ufravendte blikke stirrede tilskuerne op på den dristige videnskabsmand, idet han slap de to metalkugler og lod dem falde frit fra tårnets top.

Et sus gik gennem forsamlingen, da den tunge og den lette kugle stik mod forventning hamrede ned på præcis samme tid og beviste, at Galilei havde fuldkommen ret.

Med det og en lang række lignende faldeksperimenter trak Galilei tæppet væk under den etablerede lærdom og demonstrerede igen og igen, at det karakteristiske ved tyngdekraften er, at alle legemer uanset masse falder lige hurtigt under dens indflydelse.

Havde han levet i knap 400 år, ville han utvivlsomt have jublet over et forsøg, som den amerikanske Apollo 15-astronaut David Scott foretog under en månelanding i august 1971.

Få timer inden hjemrejsen fiskede Scott en falkefjer op af sin lomme og lod for rullende kamera den 30 gram tunge fjer og en 1,3 kilo tung hammer falde fra samme højde gennem det lufttomme rum som en hyldest til Galilei.

Og helt i overensstemmelse med, hvad den for længst afdøde italiener havde påstået, dumpede fjeren og hammeren ned i månestøvet på samme tid.

“Der er nu intet som lidt videnskab på Månen,” erklærede David Scott begejstret fra sin post knap 400.000 kilometer fra Jorden.

Samtidig med at Galilei fordybede sig i sine forsøg med legemers frie fald, gjorde den tyske astronom Johannes Kepler en overraskende opdagelse.

Efter årelange observationer af planeternes positioner på himmelhvælvet måtte han konstatere, at planeterne bevæger sig i elliptiske baner og ikke i perfekte cirkler, sådan som de lærde hidtil havde gået og troet.

Kepler formulerede en række love for, hvordan planeterne bevæger sig rundt om Solen, men han havde ingen forklaring på, hvorfor de bevæger sig, som de gør.

Newtons æbletræ rejser ud i rummet

Næppe nogen anden i denne verden ville have hæftet sig synderligt ved, at en moden frugt faldt til jorden, men den 23-årige Isaac Newton var en usædvanligt begavet ung mand.

På grund af pesten, der hærgede i Europa, var han flygtet fra Cambridge, hvor han studerede, og ud på landet. En sensommerdag i 1666 sad han i haven ved sit barndomshjem og drak te i skyggen af et æbletræ, mens han lod tankerne drage på langfart.

Pludselig plumpede der et æble ned for hans fødder. Den banale hændelse fik Newton til at undre sig: Hvorfor falder æbler altid lodret ned? Hvorfor stiger de ikke til vejrs eller bevæger sig sidelæns, spekulerede han.

Den tanke strejfede ham, at der måtte være en form for tiltrækningskraft på spil. Jorden trak i æblet og alle andre legemer i dens nærhed, og måske strakte denne tiltrækningskraft sig længere ud – endda helt ud til Månen og videre ud i universet.

Erkendelsen skulle få vidtrækkende konsekvenser og optage Newton dag og nat i de næste mange år.

© Marie Wengler

Lige fra barnsben havde Newton imponeret omgivelserne med sine geniale indfald.

Som dreng havde han opfundet en kornkværn, der var drevet af mus, han havde konstrueret sindrige ure, der udmålte tiden ved hjælp af vand, og blot ved at betragte sin skygge kunne han straks fastslå det præcise tidspunkt på dagen.

Havde han desuden været udstyret med evnen til at se ind i fremtiden, ville Isaac Newton have vidst, at netop det æbletræ, som i sensommeren 1666 slap en af sine frugter i haven ved barndomshjemmet, Wools­thorpe Manor, engang i en fjern fremtid ville blive kendt som The Gravity Tree, tyngdekrafttræet.

Han ville også vide, at en håndfuld frø fra det samme, ekstremt sejlivede æbletræ en decemberdag i 2015 ville stige til vejrs med en raket og undslippe selve den kraft, der i sin tid havde fået æblet til at dumpe ned for Newtons fødder.

Frøenes skæbne var at indgå i eksperimenter på Den Internationale Rumstation, ISS, hvor Newtons landsmand astronauten Tim Peake undersøgte, hvordan opholdet i rummet påvirkede deres vækst.

Alle ting med masse trækker i hinanden

Inspireret af nedfaldsfrugten fik Newton den idé at kæde Keplers love for planeternes bevægelser og Galileis faldlove sammen. De kræfter, der hersker på Jorden, må også herske i universet, erkendte Newton.

Den kraft, der får æblet til at falde ned fra træet, må være præcis den samme som den, der holder Månen i dens bane om Jorden og planeterne i baner om Solen.

Og grunden til, at planeterne ikke falder ind i Solen, er, at de bevæger sig præcis så hurtigt, at de går i kredsløb om den.

I 1687 offentliggjorde Isaac Newton sin banebrydende teori om tyngdeloven i mesterværket Principia, der i eftertiden skulle blive kendt som et af de vigtigste videnskabelige værker nogensinde.

Her formulerede Newton i en intellektuel kraftpræstation ikke alene en matematisk teori for tyngdekraften, men også tre love, der beskriver legemers bevægelser.

Ifølge Newton er tyngdekraften en kraft mellem to legemer. Alle ting, der vejer noget, tiltrækker hinanden.

Hvor stor tiltrækningen er, afhænger af genstandenes masse og indbyrdes afstand, lyder teorien, som Newton insisterede på måtte gælde for alle legemer i hele universet og derfor døbte den universelle tyngdelov.

Takket være Newtons ligninger blev det nu for første gang muligt matematisk at udregne planeternes baner i Solsystemet og Månens kredsløb om Jorden med uhyre præcision.

Selv tidevandet og Jordens form leverede Newton en forklaring på: Tidevandet skyldes Månens og Solens tiltrækning, og som følge af Jordens rotation om sin egen akse må kloden være fladtrykt ved polerne, påviste Newton teoretisk.

Den påstand er sidenhen til fulde blevet bekræftet af et hav af opmålinger, fotos fra rummet samt radar- og satellitmålinger.

Lige så langtidsholdbar har Newtons lære vist sig at være, når det gælder om at fastlægge planeters og kometers baner.

Ved hjælp af Newtons formler kan astronomerne beregne himmellegemernes bevægelser tusindvis af år frem og tilbage i tiden og udregne solformørkelser i både fortiden og fremtiden med minutters præcision.

Newtons tyngdelov kan også forklare, hvorfor Gali­leis to kugler faldt lige hurtigt, selvom den ene var tungere end den anden.

Af hans tyngdelovsligning fremgår det, at den kraft, Jorden udøver på den tunge kugle, er større end den kraft, den udøver på den lette. Men til gengæld skal der mere kraft til at flytte den tunge kugle lige så langt som den lette, og de to størrelser udligner hinanden.

Ukendt planet trækker Uranus ud af kurs

Ifølge Newtons teori strømmer tyngdekraften gennem hele universet, og netop den antagelse var noget af en kamel at sluge for de lærde i videnskabsmandens samtid.

At de tiltrækkende kræfter kan virke over millioner af kilo­meter og nå hele vejen gennem rummet fra Solen og til Jorden, forekom dem fuldstændigt naturstridigt.

Newton fik skudt i skoene, at han opererede med okkulte kræfter, men i 1846 forstummede kritikken én gang for alle:

Hidtil var alle planeter blevet fundet ved et tilfælde, men alene på basis af Newtons teorier forudså de to astronomer John Couch Adams og Urbain Le Verrier uafhængigt af hinanden eksistensen af en hidtil ukendt planet, Neptun.

Begge havde bemærket uregelmæssigheder i Uranus’ banebevægelse, hvilket i deres øjne måtte skyldes tyngdepåvirkninger fra en uopdaget planet uden for Uranus’ bane.

Den analyse viste sig korrekt: På den position, som de to astronomer havde forudsagt med papir og pen, observerede tyskeren Johann Galle i 1846 med sin kikkert planeten Neptun.

© Marie Wengler

Men selvom Isaac Newton kunne bryste sig af at være tyngdelovenes ophavsmand, bildte han sig ikke ind, at han havde fundet en forklaring på tyngdekraftens natur – han havde ikke opklaret, hvordan den virker, men havde udelukkende sat den på formel.

“At et legeme kan påvirke et andet over afstand gennem et tomrum uden nogen anden tings mellemkomst, hvorved og igennem hvilken deres virkning og kraft kan overføres fra den ene til den anden, er for mig en så stor absurditet, at jeg mener, at intet menneske, som besidder en evne til at tænke over filosofiske emner, nogensinde kunne finde på det,” skrev Newton om sin opdagelse i et brev til en bekendt i 1690’erne.

Dermed gav han opgaven med at finde tyngde­kraftens væsen videre til sine efterkommere – nærmere bestemt, skulle det vise sig, en tysker ved navn Albert Einstein, der i begyndelsen af 1900-tallet arbej­dede som kontorist på et patentkontor i Bern i Schweiz.

Står vi på Jorden eller i et rumskib?

Rummet er krumt, hævdede manden med det viltre hår og de levende øjne – og planeten Merkur beviste, at Einstein havde ret i sin skelsættende erkendelse.

Fra midten af 1800-tallet stod det klart, at Newtons tyngdelov ikke kunne forklare Merkurs bane om Solen – ved hvert omløb rykker det elliptiske kredsløb sig en smule, og det strider mod Newtons lære.

Opdagelsen gav fysikerne grå hår i hovedet og udløste en storstilet jagt på en ukendt planet, der kunne påvirke Merkurs kredsløb. Men trods en ihærdig indsats blev planeten aldrig fundet. Af gode grunde – den eksisterer ikke.

I 1905 præsenterede den unge kontorist Albert Einstein sin specielle relativitetsteori, som slår fast, at tid og afstand er relative størrelser, der afhænger af, hvor hurtigt iagttageren bevæger sig.

Rum og tid kan ikke opfattes som adskilte fænomener, men må betragtes under ét som en rum-tid.

Den specielle relativitetsteori kan forklare meget om universet, men ikke tyngdekraften. En efterårsdag i 1907, mens Einstein sad på kontoret i Bern og stirrede ud ad vinduet, fik han imidlertid det, han siden omtalte som sit “lykkeligste indfald”.

Det slog ham, at hvis en mand falder ned fra et tag, vil han ikke mærke tyngdekraften i det frie fald – han vil være vægtløs. Manden vil ikke mærke, at han accelererer, for hvis han fx slipper sin hammer, vil den accelerere med nøjagtigt samme hastighed ved siden af ham.

I et øjebliks klarsyn indså Einstein, at der måtte være en forbindelse mellem tyngdekraft og acceleration.

Det er umuligt at opstille et forsøg, der afgør, om man befinder sig på Jordens overflade eller i et rumskib, som accelererer med 9,8 m/s2 – accelerationen for objekter i frit fald ved Jordens overflade, den såkaldte tyngdeacceleration.

Acceleration og tyngdekraft er i praksis det samme. Indsigten bragte Einstein på sporet af en ny og skelsættende teori, den almene relativitetsteori, som han præsenterede i 1915.

Ifølge hans specielle relativitets­t­eori fra 1905 får forskelle i hastighed rummet og tiden til at ændre sig.

Acceleration er en ændring i hastighed, og da acceleration og tyngdekraft i princippet er det samme, står det klart, at rum-tiden ændrer sig omkring alle objekter med masse.

I den almene relativitetsteori slår Einstein fast, at tyngdekraft simpelthen er krumninger af rum-tiden. Jo tungere et objekt er, jo større er krumningen omkring det.

Rum-tiden kan sammenlignes med et udstrakt gummilagen, hvor fx Solen ligger som en tung jernkugle.

Kuglens vægt får gummilagenet til at give efter og tynger det nedad i en slags tragt, og når en lettere kugle, fx Jorden, triller hen over lagenet, tvinges den til at ændre retning.

Solformørkelse sætter Einstein på prøve

Hvor Newton havde forstået tyngdekraften som en gådefuld kraft mellem to legemer, hævdede Einstein nu med sin almene relativitetsteori, at tyngdekraften er en egenskab ved selve rummet – og med sin banebrydende teori var han i stand til at opklare det gamle mysterium om Merkurs besynderlige kredsløbsforstyrrelse.

Merkur fastholdes i sin bane omkring Solen, fordi Solens stærke tyngdefelt danner en skålformet krumning i rummet, hvor den lille planet triller rundt som en kugle i en roulette.

Det medfører, at banen ændrer vinkel i forhold til Solen for hvert kredsløb. Merkur er den planet i Solsystemet, der kredser tættest på Solen og derfor udsættes for den stærkeste tyngdepåvirkning.

Ved så stærke tyngdefelter kommer Newtons tyngdelov til kort.

© Marie Wengler

Den afgørende eksamen for Einsteins relativitets­teori stod imidlertid under en total solformørkelse i 1919.

Einstein havde været dristig nok til at forudsige, at lyset fra en fjerntliggende stjerne, der passerede tæt forbi Solen, ville blive afbøjet af stjernens krumning af rummet, og nu skulle det afgøres, om han havde ret.

Under solformørkelsen den 29. maj 1919 fotograferede den britiske astronom Arthur Eddington en stjerne nær Solen, og ved et møde i de kongelige videnskabelige selskaber i London den 6. november samme år blev spændingen omsider udløst:

“Efter en nøje undersøgelse af de fotografiske optagelser er jeg rede til at sige, at der ikke hersker tvivl om, at de bekræfter Einsteins forudsigelse,” slog astronomen Frank Dyson fast på mødet.

Solen havde ganske rigtigt afbøjet lyset fra stjernen. Og superstjernen Einstein havde skubbet Newton af tronen med sin almene relativitetsteori, der i de følgende dage trak overskrifter i aviser verden over:

“Revolution i videnskaben. Ny teori om universet. Newtons ideer er faldet,” meldte londonavisen The Times på forsiden.

“Lyset er helt på afveje på himlen,” fortalte The New York Times og tilføjede: “Videnskabsfolk mere eller mindre ude af sig selv over formørkelsesobservationer. Einsteins teori triumferer.”

Satellit måler Jordens krumning af rummet

Einsteins almene relativitetsteori er i dag det bedste bud på en teori om tyngdekraft. Newtons tyngdelov fungerer imidlertid stadig glimrende til at beregne fx raketters baner, når de opsendes fra Jorden, hvor krumningen af rummet er minimal, og Albert Einstein tvivlede selv på, at det i praksis var muligt at måle virkningen af Jordens relativt svage tyngdekraft på rummet.

Men i 2011 meddelte NASA-forskere, som et ekko fra 1919, at Einsteins teori også på det punkt holdt stik.

Ved hjælp af fire ultrapræcise gyroskoper – apparater, der bruges til at måle retning – havde satellitten Gravity Probe B testet Einsteins teorier i en kredsløbshøjde på 640 kilometer over Jorden.

Målingerne bestod i at følge rotationsaksen på de fire gyroskoper inde i sonden, hvis teleskop var rettet mod en enkelt stjerne, IM Pegasi.

Da retningen til stjernen var fast, kunne små ændringer i gyroskopernes rotationsakser måles af magnetiske kvantedetektorer.

Ifølge Einstein skulle rotationsakserne for Gravity Probe B’s gyroskoper gradvist ændre sig på grund af Jordens masse og rotation, og da forskerne gennemgik måle­resultaterne, fandt de netop en vinkel­ændring i gyroskopernes orientering.

Målingerne afslørede med andre ord endegyldigt, at Jordens tyngdefelt krummer rummet, på samme måde som en kugle tynger gummidugen på en trampolin.

“Ved hjælp af dette skelsættende eksperiment har vi testet Einsteins univers, og Einstein holder vand,” fastslog en af forskerne, Francis Everitt fra Stanford University, på et presse­møde den 4. maj 2011.

Fem år senere, i februar 2016, blev Einsteins idé om krumningen i rum-tiden endnu en gang bekræftet.

Her offentliggjorde fy­si­kere fra det amerikanske Laser Interferometer Gra­vi­ta­tio­nal­-Wave Observatory sen­sa­tio­nelt, at de havde målt bølger i rum-tiden, såkaldte tyngdebølger, der skvulper gennem verdensrummet og breder sig som ringe i vandet.

Krusningerne i tid og rum stammede fra to sorte huller, der var drønet ind i hinanden, hvilket – nøjagtigt som Einstein havde for­udsagt – skabte bølger i rum-tiden.

Overføres tyngdekraften af en partikel?

Selvom adskillige astronomiske observationer efterhånden har bekræftet Einsteins relativitetsteori, bliver forskerne fortsat tomme i blikket, når de skal forklare, hvordan tyngdekraften virker.

De ved nu, at tyngdekraften findes, fordi rummet krummer. Men hvordan kraften overføres – hvordan masser tiltrækker hinanden – kan de ikke give noget svar på.

Det bedste bud i øjeblikket er, at tyngdekraften bliver båret af en særlig – foreløbig kun tænkt – partikel, en såkaldt graviton. Og den antagelse er ikke grebet ud af det blå, for nøjagtigt samme princip gælder for de andre naturkræfter.

Tyngdekraften er den ene af fire fundamentale naturkræfter, som styrer vores verden.

Hvis atomerne er universets byggesten, er naturkræfterne det klister og den mørtel, som ikke alene holder sammen på atomerne, men også fortæller stoffet, hvordan det skal opføre sig.

De to af naturkræfterne, tyngdekraften og den elektromagnetiske kraft, rækker uendeligt. Alle masser i universet tiltrækker hinanden via tyngdekraft, og den elektromagnetiske kraft kan ses fra selv fjerne galakser i form af lys.

De to andre naturkræfter, den stærke og den svage kernekraft, virker kun inde i atomerne, hvor den første holder sammen på atomkernen, mens den anden er ansvarlig for radioaktivt henfald.

Af de fire naturkræfter er tyngdekraften den, forskerne ved allermindst om, hvad der kan virke paradoksalt, da vi mærker dens virkning overalt.

Men problemet er, at tyngdekraften er ekstremt meget svagere end de andre naturkræfter – selv en køleskabsmagnet overvinder jo let Jordens tyngdekraft og løfter en nål op fra gulvet.

© Marie Wengler

Fysikerne har i eksperimenter påvist de partikler, der overfører kraft, ved såvel den elektromagnetiske kraft som den svage og den stærke kernekraft.

Her udsendes og modtages små pakker af energi, som fysikerne kalder kvanter. Det bedst kendte eksempel er lyskvanter, fotoner, som overfører den elektromagnetiske kraft.

Når det gælder for de tre andre naturkræfter, hvorfor skulle den sidste kraft i kvartetten, tyngdekraften, så ikke også fungere ved hjælp af kvanter, ræsonnerer de.

Problemet er bare, at alle fysikernes forsøg på at finde den tænkte tyngdekraftpartikel indtil nu har været forgæves.

Men på det europæiske center for partikelforskning, CERN, i Schweiz arbejder forskere ihærdigt på sagen – her håber fysikerne i fremtiden at kunne måle gravitonen ved eksperimenter i verdens største partikelaccelerator, den 27 kilo­meter lange, underjordiske Large Hadron Collider.

I acceleratoren bliver protoner skudt afsted med hastigheder tæt på lysets, og når de rammer hinanden, opstår partikler, der ikke eksisterer under normale forhold.

Kraften skjuler sig i usynlige dimensioner

Hvis det en dag lykkes at bekræfte gravitonens eksistens, vil fysikerne være et kæmpeskridt tættere på et af videnskabens største mål: en samlet teori om alting.

Teorien skal kunne forklare både det største og det mindste i universet – fra stjerner og galakser til atomer og molekyler – og dermed også løse de største af alle gåder:

Hvad forårsagede big bang, verdensrummets eksplosive fødsel, for cirka 13,7 milliarder år siden, og hvad skete der i tiden lige efter big bang?

© Marie Wengler

I jagten på en teori, der forklarer alle fænomener, har forskerne igennem historien målrettet ledt efter simple naturlove til at beskrive en kompleks verden.

Men tyngdekraften er det evige problembarn og den eneste af de fire naturkræfter, som ikke kan forklares ved hjælp af kvantemekanikken – teorien om naturkræfterne i den mindste skala – men kun af Einsteins relativitetsteori.

“Vores problem i fysikken er, at alting er baseret på disse to forskellige teorier, og når vi lægger dem sammen, får vi volapyk.”

Ordene er udtalt af den amerikanske fysiker Edward Witten.

Kvantemekanikkens og rela­tivitets­teoriens formler er matematisk uforenelige, men Witten står i spidsen for det hidtil mest lovende bud på teorien om alting – en teori, der kan bringer Einsteins almene relativitetsteori og kvantemekanikken sammen i et lykkeligt ægteskab.

Witten, der er blevet kaldt den mest begavede fysiker i sin generation, har arbejdet med den såkaldte streng­teori siden 1975.

Teorien stræber efter en sammenhængende forståelse af stof og naturkræfter, og kernen i teorien er, at alt i universet – alt stof og alle fire naturkræfter – er dannet af ufatteligt små, svingende strenge, som er universets mindste byggeklodser.

Strengene skal forstås som tråde af energi, der svinger i ikke færre end 11 dimensioner: de tre rumlige og tidsdimensionen plus syv andre dimensioner, som er krøllet sammen, så vi ikke ser dem.

Ifølge superstrengteorien er tyngdekraften ikke svagere end de andre naturkræfter, selvom det umiddelbart virker sådan – vi mærker blot ikke dens fulde effekt, fordi den er spredt ud over de ekstra dimensioner.

Superstrengteorien lever op til alle fysikernes krav til den længe eftersøgte teori om alting – men dumper med et brag, når det gælder dokumentation. Teorien er indtil videre udelukkende en matematisk konstruktion og det pureste hjernespind.

Strengene og de ekstra dimensioner er så uhyre små, at vi umuligt kan få øje på dem. Dermed kan teorien ikke umiddelbart efterprøves – medmindre miraklet indtræffer i Large Hadron Collider.

Hvis detektorerne i partikelacceleratoren pludselig sporer en uventet gæst i form af en hidtil uset partikel, kan det måske vise sig at være den længe eftersøgte graviton, som giver tegn fra sig, inden den forsvinder ind i de usynlige dimensioner.

Skulle det ske, vil forskerne, tyngdekraften til trods, nok have mere end almindeligt svært ved at bevare begge ben på Jorden.

Læs den næste artikel i serien TankeSpin

Vi oplever os selv som et jeg, der handler frit i verden. Men undersøgelser af mennesker med hjerneskader afslører, at vores selv slet ikke er så entydigt, som vi går og tror.

Læs også:

Fysik

10 opfindelser du kan takke Einstein for

4 minutter
Einstein ung
Relativitetsteorien

Tankespind ændrer tid og afstande

5 minutter
Cygnus X-1
Sorte huller

Hvordan opstod ideen om sorte huller?

1 minut
Mest populære

Log ind

Fejl: Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!