Einstein på prøve

Noe av det Albert Einstein er mest kjent for er hans relativitetsteori, som har blitt bekreftet gang på gang gjennom snart hundre år. Men det betyr ikke at forskere slutter å teste den. Nå arbeider to UiO-forskere med å gjøre det lettere å bekrefte alternative teorier

Forsiden på Physical Review Letters. Figuren viser en simulering av et skalarfelt, laget i en datamaskin. En endring eller forstyrrelse i feltet starter i punktet til venstre og sprer seg mot høyre. Hvis man befinner seg i det sorte området på figuren kan man ikke se endringen i feltet. Figur: Claudio Llinares og David Mota, Institutt for teoretisk astrofysikk, UiO/ Physical Review Letters.

Hvordan forskerne jobber

For å kunne sette vitenskapelige teorier på prøve, trengs nøyaktige forutsigelser. Hvis vi har en teori som vi ønsker å teste må vi først finne ut nøyaktig hva det er denne teorien forteller oss om verden. Hvilke målbare konsekvenser har teorien?

To forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA), Claudio Llinares og David Mota, har utredet metoder for å finne nye målbare konsekvenser av alternativer til Einstens generelle relativitetsteori. Arbeidet deres gjør at man kan lage mer nøyaktige forutsigelser av disse teoriene enn tidligere, og dermed blir teoriene enklere å teste.

I slutten av april 2013 publiserte Llinares og Mota en artikkel som ble valgt ut til å pryde forsiden til det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Physical Review Letters

Skalarfelt og ligninger

Temperaturen i et rom kan for eksempel variere med avstand fra vinduet, eller høyde over gulvet. Litt abstrakt kan fysikere betrakte temperaturen i et rom som et skalarfelt. Det vil si at man til alle punkt i rommet tilordner et tall - en skalar.

De alternative gravitasjonsteoriene inneholder ofte et skalarfelt som fyller hele universet. Dette skalarfeltet gir opphav til en ekstra kraft som gjør at tyngdekraften i noen tilfeller blir annerledes enn Einsteins.

Vanligvis brukes en forenklet versjon av de matematiske ligningene som forteller hvordan skalarfeltet forandrer seg.

– Vi lurte på hva som ville skje hvis vi tok med alle ledd i ligningene, sier Claudio Llinares, som er postdoktor ved ITA. – Det fantes ikke noen etablert metode for å gjøre dette, så vi måtte utvikle vår egen.

Mens forskere hittil bare har sett på hvordan skalarfeltet endrer seg i rommet, har Llinares og Mota også undersøkt hva endringer i skalarfeltet med tiden har å si for resultatene.

Forskerne lager numeriske simuleringer av skalarfelt på datamaskiner. Da de tok med de tidsavhengige leddene oppdaget de helt nye strukturer i skalarfeltet. Dette er strukturer som kan føre til nye målbare forutsigelser av teoriene, og dermed gjøre de alternative gravitasjonsteoriene enklere å teste mot observasjoner.

Einsteins gravitasjonsteori

Einstein formulerte en fysisk og matematisk forklaring på hvordan tid, rom og materie henger sammen. Dette er den generelle relativitetsteorien, blant fysikkstudenter kjent som GR.

I den generelle relativitetsteorien ser Einstein på tyngdekraften, altså gravitasjonen, som en konsekvens av at rommet bøyer seg. For å få et bilde av dette, kan vi tenke på rommet som et stort fiskegarn som er laget av tøyelig netting. Garnet henger vannrett spent utover. Tenk deg så at du legger en tung kule, for eksempel en bowlingball eller for den saks skyld en jordklode, oppi garnet. Ute langs kantene vil garnet fortsatt være flatt, men nærmere kulen vil garnet bøye seg nedover rundt kulen. Garnet krummer seg på grunn av den tunge kulen.

Vitenskapelig metode

En viktig del av kjernen i den vitenskapelige metode er nettopp det å stadig stille spørsmål ved godt etablerte teorier.

Albert EinsteinAlbert Einsteins generelle relativitetsteori er fortsatt den beste teorien om gravitasjon vi har. Bilde: Wikipedia.

Den generelle relativitetsteorien er en generalisering av Newtons gravitasjonsteori. Det vil si at Newtons forklaring på hvordan tyngdekraften oppfører seg, fungerer bra i spesielle tilfeller, for eksempel så lenge tyngdekraften ikke er for sterk. Når tyngdekraften blir sterk nok, vil den oppføre seg litt annerledes enn Newtons forklaring skulle tilsi. 

Hvis dette avviket mellom de to teoriene blir stort nok, kan det bli mulig å måle det. Dette har blitt gjort, og målingene bekrefter Einsteins teori.

Bekreftelsen av Einsteins teori 

Einsteins hypotese var at når gravitasjonsfeltene blir sterke nok, vil ikke Newtons teori være tilstrekkelig. Dette ble første gang bekreftet under en solformørkelse i 1919

Under solformørkelsen kunne man gjøre astronomiske observasjoner av stjerner som i synslinje ligger svært nærme Solen. Disse stjernene var til vanlig skjult av Solens blendende lys, men under formørkelsen ble det mulig å observere stjernenes posisjoner. Einsteins teori forutsa at det sterke tyngdefeltet fra Solen ville bøye lysstrålene fra stjernen, og dermed ville posisjonen til stjernen tilsynelatende endre seg. Denne bøyingen, og påfølgende endring i posisjon, var ifølge Einsteins teori mye større enn det Newtons teori tilsa.

Observasjonene var de første som bekreftet Einsteins teori, og siden har denne teorien blitt bekreftet gang på gang. Den generelle relativitetsteorien er den hittil beste forklaringen vi har på hvordan tyngdekraften virker.

Forskere er imidlertid sjelden fornøyde med etablerte sannheter. Det vil alltid være noen i et fagmiljø som stiller spørsmål om de fundamentale teoriene er gyldige. I denne sammenhengen betyr dette å undersøke om Einsteins relativitetsteori er gyldig på alle størrelsesskalaer.

Når selv Einstein ikke er nok

Einsteins generelle relativitetsteori er godt testet på størrelser opp til og med vårt eget solsystem. Når astronomer undersøker ting som universets utvikling, snakker vi imidlertid om mye større avstander enn vi har klart å teste Einsteins teori på. 

Den oppskriften på universets ingredienser som flertallet av astronomer i dag støtter, har to store mystiske komponenter i seg: mørk materie og mørk energi. Til sammen består 96% av universet av materie og energi som vi faktisk ikke vet hva er. De fysiske lovene vi bruker, for eksempel Einsteins gravitasjonsteori, sier at disse mystiske komponentene må være der. 

Mange astronomer som er interessert i universets utvikling og struktur jobber med å finne ut hva de mørke delene av universet kan være. Noen av forskerne prøver imidlertid en annen tilnærming. De prøver i stedet å undersøke om det er noe galt med grunnlaget og med de fysiske lovene. Kanskje ikke Einsteins gravitasjonsteori er nøyaktig nok til å bruke på de helt store størrelsene?

En forskergruppe ved Institutt for teoretisk astrofysikk er blant dem som arbeider med såkalt modifiserte gravitasjonsteorier. Slik Einsteins teori kan byttes ut med Newtons for svake nok tyngdefelt, er det viktig at de modifiserte gravitasjonsteoriene ikke bryter med det vi allerede vet. De må under gitte forhold - for eksempel inne i solsystemet - kunne byttes ut med Einsteins teori.

Når man gjør beregninger på de største avstandene i universet er det en faktor i de nye modifiserte teoriene som gjør seg gjeldende og som gjør at de blir forskjellige fra Einsteins teori.

Åpner et vindu for nye observasjoner

Llinares og Mota ved Institutt for teoretisk astrofysikk forteller at de ønsker å gjøre det lett for observasjonsastronomer å teste teoriene deres. Da må de finne de nøyaktige forutsigelsene som det er mulig å lete etter med teleskopene.

– I denne artikkelen åpner vi et vindu for nye forutsigelser, sier Claudio Llinares. – Det vi gjør her er å beskrive en metode for å lage målbare konsekvenser av de alternative gravitasjonsteoriene. Selve forutsigelsene er ikke laget ennå, men vi jobber med saken.

 

Av Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 3. mai 2013 13:01 - Sist endret 10. mai 2013 12:14