Krummet romtid – et reelt fenomen?

I Einsteins relativitetsteori (som egentlig er to teorier, den spesielle og den generelle) så innfører han begrepet romtid. Romtiden er en slags firedimensjonal virkelighetsbeskrivelse der de tre første dimensjonene er romdimensjonene lengde, høyde og dybde. Den fjerde dimensjonen i romtiden er tiden. Denne romtiden endres i nærheten av objekter, men desto tyngre objektene er. Denne strukturendringen av romtiden kalte Einstein for krummet romtid.

Hele tanken om krummet romtid kan synes som noe underlig sprøtt noe som nerder leker seg med i tankene sine, men dess mer man har undersøkt saken, dess mer tyder på at Einstein faktisk hadde rett. Det finnes flere fenomener i universet som tyder på at krummet romtid er en god beskrivelse av virkeligheten.

Fotoner har som kjent (blant fysikknerder) null i hvilemasse, populært sagt er de masseløse. Dette er årsaken til at de kan ferdes i lysets hastighet, for i følge relativitetsteoriens energiligning (som i sin enkleste form lyder E=mc²) så ville det medgått en uendelig mengde energi for å få noe med masse til å ferdes med lysets hastighet i vakuum.

I og med at fotoner er masseløse, så betyr det at lys ikke burde la seg påvirke av gravitasjon. Sorte hull burde være en umulighet, for selv gravitasjonen i et sort hull burde ikke kunne bøye lysstrålene.

Krummet romtid samlignes ofte med en gummiduk

Hvis man derimot forklarer gravitasjon som krummet romtid, der tiden går saktere nærmere et massivt objekt, så blir det straks noe annet. Da blir det faktisk helt logisk og sannsynlig at gravitasjon kan avbøye lys. For lys har en dobbeltnatur (dualitet), fotoner er både partikler og bølger samtidig. Og en bølge som beveger seg gjennom et rom der tiden går litt saktere nærmere et massivt objekt vil naturlig nok avbøyes mens lyset passerer dette området med krummet romtid.

Dette fenomenet er altså grunnen til at kjerneobjektet inne i sorte hull faktisk kan være usynlig. Det er årsaken til at massive objekter i universet faktisk kan fungere som såkalte gravitasjonslinser. Og dette er også årsaken til at stjerner som burde vært skjult bak solskivas kant faktisk kan sees ei stund etter at de burde ha forsvunnet og ei stund før de burde dukket opp på den andre siden. Dette viser klart at lyset fra disse stjernene avbøyes i solas gravitasjonsfelt. Og den beste tilgengelige forklaringen på dette er altså hvis sola krummer romtiden på en sånn måte at tiden bremses mer i nærheten av sola enn lengre ut i verdensrommet.

Og for å ta med eksemplet med GPS-systemet. Det er ikke mekaniske urverk med fjærer og tannhjul man bruker verken i satelittene eller i kontrollsenteret på bakken. Selv kvartsur er for unøyaktige. Man bruker et såkalt cesiumur (også kalt et atomur) der man setter en liten cesiumkrystall i resonans i et svakt spenningsfelt ved 0K. Så teller man antall svingninger og deler på 9.192.631.770 for å få ett sekund. Nøyaktigheten for slike cesiumur er pluss/minus ett sekund på én million år.
http://no.wikipedia.org/wiki/Atomur

Det usanske forsvaret, som eier og har bygd ut GPS-systemet, trodde opprinnelig ikke noe på at de behøvde å ta hensyn til snodige greier om krummet romtid i en sær relativitetsteori. Newtons tyngdekraftligninger burde være nøyaktige nok, tid kunne vel umulig bli påvirket av litt gravitasjon? Men én av militærkonstruktørene tenkte at det ikke kunne skade å legge inn en påslåbar omregning i tilfelle han derre påståelige rådgivernerden fra NASA faktisk hadde rett. De første satelittene ble skutt opp i bane, i høyder mellom 18.000 og 24.000 km over jordoverflaten, og det gikk svært raskt opp for militæret at noe var riv rav ruskende galt, for feilvisningen var på over 10 km per døgn. Med en sånn feilvisning ville systemet selvsagt være helt ubrukelig.

Så militærkonstruktøren som hadde lagt omregneren i urverket innrømmet hva han hadde lagt inn i satelitturene. Og ledelsen tenkte at systemet ville jo likevel være en gedigen fiasko, så de lot konstruktøren bruke fjernstyringen som slo på omregningen. Og da ble plutselig feilvisning nærmest null. Alle de senere GPS-satelittene fikk derfor cesiumur som gikk litt for sent før oppskyting, slik at de ble synkrone med bakkeurene når de kom ut i en del av verdensrommet der romtidskrummingen er litt mindre enn nede på bakken.

Faktisk er det to romtidskrummingseffekter man måtte legge inn i systemet (eller ligningen). Satelittene ferdes i en fart som er større enn farten her nede på bakken. Dette bremser tiden ombord på satelittene med ca 7µs/døgn (µs=mikrosekunder). Den reduserte romtidskrummingen i satelittenes høyde utgjør ca 45 µs/døgn. Differansen, som var skyld i det ukalibrerte GPS-systemets opprinnelige feilvisning, er altså ca 38 µs/døgn. Og disse 38 µs/døgn utgjør altså en feilvisning på rundt ei mil per døgn. Det at det kalibrerte GPS-systemet faktisk fungerer regnes som et av de beste praktiske hverdagseksemplene på at Eisteins teori om krummet romtid stemmer.
http://en.wikipedia.org/wiki/Error_analysis_for_the_Global_Positioning_System#Relativity

Evige og dynamiske sannheter

Evige sannheter finnes kun i religion, i naturvitenskapene er sannhetene bare foreløpige, mer eller mindre sannsynlige og de er åpne for eventuelle motbevis. Hvis en sånn foreløpig sannhet motbevises faller den og må erstattes av en ny foreløpig sannhet.

Disse foreløpige sannhetene i naturvitenskapene kalles vitenskaplige teorier, de er så nær sannheten som det mulig å komme utfra innsamlet/observert kunnskap og kontrollerte eksperiment. Ny kunnskap kan enten styrke/underbygge de vitenskaplige teoriene eller altså motbevise dem. Men vitenskaplige teorier kan ikke bevises, kun underbygges/sannsynliggjøres.

En av de mest kjente vitenskaplige teoriene er Einsteins relativitetsteori (som egentlig er to teorier, den spesielle og den generelle). Einsteins relativitetsteori blir stadig bekreftet, bl.a ville GPS-systemet vært ubrukelig hvis man ikke hadde brukt relativistiske beregninger for krummet romtid når man konstruerte systemet. Jordas gravitasjon (tyngdekraft) gjør nemlig at tiden bremses mer nede på bakken enn ca 20.000 km over bakken der GPS-satelittene svirrer. Det er altså ikke en tyngdekrafteffekt som får oljen i klokkenes lagre til å bli tykkere slik at klokkene på bakken går tregere, men det er selve tiden som går litt saktere på bakken enn ute i verdensrommet, fordi tyngdekraften er sterkere her nede. Feilen er kun på ca 30 mikrosekunder per døgn, men hadde man ikke tatt hensyn til denne forskjellen i relativistisk tidsbremsing ville feilvisningen i systemet faktisk blitt ca 12 km per døgn, og da hadde jo GPS-systemet i praksis vært ubrukelig. Det at GPS-systemet faktisk fungerer regnes derfor som et av de beste hverdagseksemplene på at Eisteins hundre år gamle matematiske modeller om relativitet og krummet romtid er en korrekt beskrivelse av virkeligheten.

For oss vanlige dødelige er det enklere å bruke togmodellen når vi forklarer relativitet. Når man står på bakken og ser et tog fare forbi, så er vi ikke i tvil om hva som beveger seg, det er toget. Men sitter vi inne i et vel avdempet moderne tog, så kan vi av og til få inntrykk av at toget står i ro og at det er landskapet som farer forbi. Toget har blitt vår nye referanse, og vi oppfatter det som det er landskapet som beveger seg.

Når man måler hastigheter i universet så måles dette i forhold til andre himmellegemer, men man bare bestemmer seg for at disse andre står i ro, i virkeligheten finnes det antagelig ingen ubevegelige faste punkt i universet, alt beveger seg, hele tiden. Uttrykket "alt er relativt" er altså en god kortfattet beskrivelse av virkeligheten.

Religionene er altså fulle av evige sannheter, også kalt dogmer, mens naturvitenskapene er basert på det man kan kalle dynamiske sannheter, nemlig det som kalles vitenskaplige teorier. Og vitenskaplige teorier er slett ikke løsrevne og fantasifulle gjetninger slik mange religiøse prøver å få oss til å tro, de er som regel de aller beste beskrivelsene av verden som det er mulig å lage utfra dagens kunnskap. De vitenskaplige teoriene er altså så nært sannheten det er mulig å komme til enhver tid.

Smak på uttrykket dynamiske sannheter, det er vakkert! :-)



PS: Rett etter at jeg hadde skrevet denne bloggen ble det publisert en grensesprengende nyhet fra CERN:
http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR19.11E.html
http://www.forskning.no/artikler/2011/september/299680

Fra sistnevnte kilde:
Partikkelakseleratoren i CERN fyrer av sted pulser med ørsmå nøytrinopartikler, som suser igjennom Alpene og fanges opp 730 kilometer borte, ved INFN Gran Sasso Laboratory i Italia. Men det er noe som ikke stemmer. Etter tre år med intens måling og feilsøking går forskerne ut med det utrolige funnet: Det ser ut til at nøytrinoene raser fra A til B i litt mer enn lyshastigheten.

I de neste ukene og månedene kommer fysikerne til å myldre rundt i opphisselse, og angripe de nye resultatene med alt de har av faglige tenner (og kanskje noen av de ordentlige også). De vil prøve ut alle muligheter for å rive resultatet i stykker, men også for å finne en forklaring på det – hvis det skulle vise seg at målingene faktisk stemmer.

Hvis disse målingene, over 15000 målinger i løpet av tre år, med stadige feilsøkinger og rekalibreringer underveis, hvis disse målingene virkelig stemmer så kan det bety at Einsteins berømte energi-masse-ligning E=mc² kanskje ikke gjelder for nøytrinoer. Og en sånn nyhet er skikkelig sprengstoff i fysikkmiljøet.

Det er imidlertid ikke slik at man dermed må kaste Einstein relativitetsteori på dynga slik det hevdes i mange norske aviser, men muligens justere den eller komplettere den. Før man konkluderer med det ene eller andre, så skal også to forskerteam fra USA og Japan forsøke å gjenta denne typen målinger og det er kun hvis også disse kommer fram til tilsvarende resultater at man kan fastslå at fenomenet faktisk skjer. Hvis de andre to teamene derimot ikke finner overlyshastighet i sine målinger, så kan dette tyde på at CERN-resultatet kanskje likevel skyldes en målefeil.

Den endelige konklusjonen kan defor drøye opptil flere år, men inntil da må dette kunne sies å være en grensesprengende nyhet. Kanskje datoen 23. september 2011 blir den best kjente datoen fra vår tid om noen hundre år?