Jakten på gravitationskraften öppnar sju dolda dimensioner

För nästan 14 miljarder år sedan, efter den stora smällen, var det gravitationskraften som samlade ihop stoftet så att stjärnor och planeter bildades.

Och det är samma kraft som ligger bakom att den jord vi lever på är rund. Gravitationskraften försöker dra in allt som planeterna består av mot deras centrum, men eftersom materialet inte kan pressas ihop helt blir de formade till klot.

Gravitationskraften regerar som universums mäktigaste regent. Men även om den vid en första anblick kan tyckas självklar tillhör den vetenskapens största gåtor. Varje gång forskare har hittat en förklaring till ­någon detalj har de omedelbart stött på nya problem.

En del forskare tror att det är en partikel som förmedlar kraften, men även om de redan har döpt partikeln – den kallas en graviton – har de trots ihärdiga ansträngningar ännu inte lyckats ta den på bar gärning.

Tack vare genier som Isaac Newton och Albert ­Einstein vet vi i dag hur gravitationskraften fungerar mellan exempelvis jorden och en raket, och hur den får planeter att rotera runt sina stjärnor.

Men hur den fungerar på atomnivå är ett mysterium som forskarna fortfarande jobbar på att lösa. Om de lyckas får vi kanske själva ”bruksanvisningen” till universum – från minsta elementarpartikel till den största galaxen.

Sten och vatten längtar tillbaka till jorden

Omkring år 1600 gick italienaren Galileo Galilei upp i ett torn och kastade ut två metallkulor. Det blev början på en vetenskaplig utforskning av gravitationskraften.

Galilei var djupt skeptisk mot den etablerade världs­bilden, som hade sina rötter ungefär 350 år före vår tideräkning.

På den tiden ansåg den grekiske filosofen Aristoteles att ett objekts fall mot jorden måste ha en orsak – och enligt honom var orsaken uppenbar: Saker faller till jorden eftersom de söker sig tillbaka till den plats de ursprungligen kommer ifrån.

En sten kommer från ­jorden, därför söker sig en sten som faller mot jorden. Detsamma gör vatten, som också hör naturligt hemma på vår planet. Aristoteles hävdade däremot att eld och luft var av icke-jordisk natur och stiger därför uppåt.

Han var dessutom övertygad om att ju tyngre ett föremål är, desto mer bråttom har det att återvända till sin utgångspunkt och förenas med sitt rätta element. Kort sagt ­faller tyngre föremål snabbare än lätta.

Den teorin föreföll så uppenbart sann att det skulle ta knappt 2 000 år innan någon ifrågasatte den. Det var då Galileo Galilei gjorde entré.

Bland professorerna på universitetet i Pisa hade Galilei rykte om sig att vara en otroligt begåvad student, men också envis på gränsen till olidlig.

Han ifrågasatte precis allting. Som 17-åring började han 1581 att studera medicin, men egentligen brann han mer för matematik och mekanik – och något irriterade honom.

Varje gång hans lärare talade om Aristoteles lära kom Galilei med invänd­ningar. Han vägrade acceptera att ett föremåls vikt hade någon som helst betydelse för hur snabbt det föll.

Omkring år 1600 beslutade han sig för att omsätta teorin i handling: Släpande på både en tung och en lätt metallkula tog han trapporna upp till toppen av ett torn – ­enligt myten det lutande tornet i Pisa – för att genom­föra ett experiment.

Hundratals nyfikna själar påstods ha samlats vid tornets fot för att se den egensinnige Galilei göra bort sig.

Tunga och lätta kulor faller lika snabbt

Åskådarna stirrade koncentrerat upp på den djärve vetenskapsmannen när han släppte de två metallkulorna och lät dem falla fritt från tornets topp.

Ett sorl hördes från församlingen när den tunga och den lätta kulan, stick i stäv med förväntningarna, landade exakt samtidigt och bevisade att Galilei hade haft helt rätt.

I och med det och ett flertal liknande fallexperiment drog Galilei undan mattan för den etablerade lär­domen. Han demonstrerade om och om igen att det karakteristiska för gravitationskraften är att alla kroppar oavsett massa faller lika snabbt under dess inverkan.

Hade han levt i knappt 400 år till hade han tveklöst jublat över ett försök som den amerikanske Apollo 15-astronauten David Scott genomförde under en månlandning i augusti 1971.

Ett par timmar före hemresan fiskade Scott upp en falkfjäder ur sin ficka och lät inför en rullande kamera den 30 gram tunga fjädern och en 1,3 kilo tung hammare falla från samma höjd genom den lufttomma rymden– detta som en hyllning till Galilei.

Och helt i överensstämmelse med vad den sedan länge bortgångne italienaren hade påstått damp fjädern och hammaren ned i måndammet samtidigt.

”Det finns ingenting som lite vetenskap på månen”, konstaterade David Scott begeistrat från sin post knappt 400 000 kilometer från jorden.

Samtidigt som Galilei fördjupade sig i sina försök med kroppars fria fall gjorde den tyske astronomen Johannes Kepler en överraskande upptäckt.

Efter årslånga observationer av planeternas positioner på himlavalvet kunde han konstatera att planeterna rör sig i ­elliptiska banor och inte i perfekta cirklar, som de lärde dittills hade trott.

Kepler formulerade ett antal lagar för hur planeterna rör sig runt solen, men han hade ingen förklaring till varför de rör sig som de gör.

Newtons äppelträd far ut i rymden

Ytterst få i denna värld skulle ha fäst någon vikt vid att en mogen frukt föll till marken, men den 23-årige Isaac Newton var en ovanligt begåvad ung man.

På grund av digerdöden som härjade i Europa hade han tagit sin tillflykt till landsbygden från Cambridge, England, där han studerade. En sensommardag 1666 satt han i trädgården vid sitt barndomshem och drack te i skuggan av ett äppelträd samtidigt som han lät tankarna vandra.

Plötsligt damp det ned ett äpple framför hans fötter. Den banala händelsen fick Newton att undra: Varför faller äpplen alltid lodrätt? Varför stiger de inte till väders eller rör sig i sidled, frågade han sig.

Han insåg att det måste förekomma någon form av dragningskraft. Marken drog i äpplet och alla andra kroppar i dess närhet och kanske sträckte sig denna dragningskraft längre ut – hela vägen till månen och ut i universum.

Insikten skulle få vittgående konsekvenser och uppta Newtons tankar dag och natt under flera år.

Newton hade imponerat på omgivningarna med sina geniala infall ända sedan barnsben.

Som pojke hade han uppfunnit en sädeskvarn som drevs av möss, han hade konstruerat avancerade klockor som mätte tiden med hjälp av vatten, och enbart genom att betrakta sin skugga kunde han genast slå fast den exakta tidpunkten på dagen.

Hade Isaac Newton dessutom kunnat se in i framtiden skulle han ha vetat att just det äppelträd som under sensommaren 1666 tappade en av sina frukter i träd­gården vid barndomshemmet, Wools­thorpe Manor, i en avlägsen framtid skulle bli känt som The Gravity Tree (gravitationsträdet).

Han skulle också veta ett en handfull frön från samma, extremt seglivade äppelträd en ­decemberdag 2015 skulle lyfta med en raket och undkomma själva den kraft som en gång hade fått äpplet att dimpa ned framför Newtons fötter.

Frönas öde var att ingå i ett experiment på Den internationella rymdstationen, ISS, där Newtons landsman astronauten Tim Peake undersökte hur vistelsen i rymden påverkade deras tillväxt.

Alla föremål med massa drar i varandra

Inspirerad av fallfrukten fick Newton idén att förena Keplers lag för planetrörelser och Galileis lag för fallrörelse. De krafter som råder på jorden måste även råda i ­universum, ansåg Newton.

Den kraft som får äpplet att falla ned från trädet måste vara exakt densamma som håller månen i dess bana runt jorden och planeterna i banor runt solen.

Och anledningen till att planeterna inte far in i solen är att de rör sig så snabbt att de ­hamnar i omloppsbanor runt den.

År 1687 publicerade Isaac Newton sin banbrytande teori om gravitationslagen i det vetenskapliga mästerverket Principia som sedermera blev känt som ett av tidernas vik­tigaste vetenskapliga verk.

I den formulerade ­Isaac Newton inte bara en matematisk teori för gravitationskraften utan även tre lagar som beskriver kroppars rörelse.

Hur stor dragningskraften är beror på föremålens massa och inbördes avstånd. Newton vidhöll att teorin gäller för alla kroppar i hela universum och döpte den därför till den univer­sella gravitationslagen.

Tack vare Newtons ekvationer blev det nu för första gången möjligt att matematiskt räkna ut planeternas banor i solsystemet och månens omlopp runt jorden med mycket stor precision.

Newton presenterade till och med förklaringar till tidvattnet och jordens form: ­Tidvattnet beror på månens och solens dragningskraft och till följd av jordens rotation runt sin egen axel ­måste jordklotet vara plattryckt vid polerna, vilket Newton bevisade teoretiskt.

Det påståendet har sedan dess bekräftats fullt ut av en mängd uppmätningar, bilder från ­rymden samt radar- och satellitmätningar.

Lika hållbar har Newtons lära visat sig vara när det gäller att fastslå planeters och kometers banor.

Med hjälp av Newtons formler kan astronomer beräkna himlakropparnas rörelse tusentals åt framåt och bakåt i tiden samt ringa in solförmörkelser både i dåtiden och fram­tiden med minuters precision.

Newtons gravitationslag kan även förklara varför Galileis två kulor föll lika snabbt, trots att den ena var tyngre än den ­andra.

Hans gravitationslags­ekvation visar att den kraft ­jorden utövar på den tunga ­kulan är större än den kraft den utövar på den lätta kulan. I gengäld krävs det större kraft för att ­flytta den tunga kulan lika långt som den lätta, och de båda faktorerna tar ut varandra.

Okänd planet drar Uranus ur kurs

Enligt Newtons teori strömmar gravitationskraften genom hela universum och just det antagandet var svårt att acceptera för de lärde i vetenskapsmannens samtid.

Att dragningskrafterna kan verka över miljontals kilometer och nå hela vägen genom rymden från solen till jorden föreföll fullständigt naturstridigt.

Newton beskylldes för att syssla med ockulta krafter, men 1846 tystnade kritiken:

Dittills hade alla planeter upptäckts av en slump, men enbart med utgångspunkt i Newtons teorier förutsåg de två astronomerna John Couch Adams och Urbain Le Verrier en dittills okänd planet, Neptunus, oberoende av varandra.

Båda hade lagt märke till oregel­bundenheter i Uranus omlopp, vilket de ansåg berodde på gravitationspåverkan från en oupptäckt planet utanför Uranus bana.

Den analysen visade sig vara korrekt: På den position som de två astronomerna hade förutspått med papper och penna observerade tysken Johann Galle 1846 planeten Neptunus med kikare.

Men även om Isaac Newton kunde stoltsera med att vara gravitationslagens upphovsman inbillade han sig inte att han hade hittat en förklaring till gravitationskraftens natur – han hade inte klargjort hur den fun­gerade, utan bara lyckats förklara den utifrån formler.

”Att en kropp kan påverka en annan över avstånd genom ett tomrum utan inblandning av något annat före­mål, med hjälp av och genom vilket deras verkan och kraft kan överföras från den ena till den andra, framstår så absurt för mig att jag inte tror att någon människa som besitter en förmåga att fundera över filosofiska frågor, någonsin kan förstå det”, skrev Newton om sin upptäckt i ett brev till en bekant på 1690-talet.

Därmed lämnade han vidare uppgiften att hitta ­gravitationskraftens väsen till sina efterföljare – när­mare bestämt en tysk vid namn ­Albert Einstein, som i början av 1900-talet arbetade som kontorist på ett patentkontor i Bern i Schweiz.

Står vi på jorden eller i ett rymdskepp?

Rymden är krökt, hävdade mannen med det bångstyriga håret och de livliga ögonen – och planeten Merkurius bevisade att Einstein hade rätt i sin revolutionerande insikt.

Från mitten av 1800-talet stod det klart att Newtons gravitationslag inte kunde förklara Merkurius bana runt solen – för varje varv flyttar sig den elliptiska omloppsbanan en aning, vilket strider mot Newtons lära.

Upptäckten gav fysikerna grått hår och blev startskottet för jakten på en okänd planet som påverkade Merkurius omlopp. Men trots ihärdiga försök upptäcktes aldrig planeten. Och det var inte så konstigt – den existerar nämligen inte.

Rum och tid kan inte upp­fattas som åtskilda fenomen, utan måste betraktas tillsammans – som rumtid.

Den speciella relativitetsteorin förklarar mycket om universum, men inte gravita­tions­kraften. En höstdag 1907, medan Einstein satt på kontoret i Bern och stirrade ut genom fönstret, fick han det han senare kallade sitt ”lyckligaste infall”.

Han insåg att en man som faller ned från ett tak inte känner av gravitationskraften i det fria fallet – han är viktlös. Mannen kommer inte att känna att han accelererar, för om han exempelvis släpper en hammare accelererar den med exakt samma hastighet bredvid honom.

Albert Einstein insåg plötsligt att det ­måste finnas ett samband mellan gravitationskraft och acceleration.

Det är omöjligt att genomföra ett försök som ­avgör om man befinner sig på jordens yta eller i ett rymdskepp som accelererar med 9,8 m/s2 – accelera­tionen för objekt i fritt fall vid jordens yta, den så kallade tyngdaccelerationen.

Acceleration och gravitationskraft är i praktiken samma sak.Insikten ledde in Einstein på spåret till en ny och epokgörande teori, den allmänna relativitetsteorin, som han presenterade 1915.

Enligt hans speciella relativitetsteori från 1905 får skillnader i hastighet rum och tid att förändras.

Acceleration är en förändring i hastighet och eftersom acceleration och gravitationskraft i princip är samma sak, står det klart att rumtiden förändras runt alla objekt med massa.

I den allmänna relativitetsteorin slår Einstein fast att gravitationskraften är krökningar av rumtiden. Ju tyngre ett objekt är, desto större är krökningen kring det.

Rum­tiden kan jämföras med en utsträckt gummiduk där exempelvis solen ligger som ett tungt järnklot.

Klotets vikt får gummiduken att ge efter och tynger det nedåt i ett slags tratt, och när ett lättare klot, exempelvis jorden, rullar in över lakanet tvingas det att ändra riktning.

Solförmörkelse sätter Einstein på prov

Newton hade uppfattat gravitationskraften som en gåtfull kraft mellan två kroppar, men Einstein hävdade nu med sin allmänna relativitetsteori att gravitationskraften är en egenskap hos själva rymden. Med sin banbrytande teori kunde han lösa det gamla mysteriet med Mer­kurius märkliga omloppsstörning.

Merkurius stannar i sin bana runt solen eftersom solens starka gravitationsfält bildar en skålformad krökning i rymden, där den lilla planeten rullar runt som en kula i en roulett.

Det leder till att banan ändrar vinkel i förhållande till solen för varje omloppsvarv. Merkurius är den planet i solsystemet som kretsar närmast solen och därför utsätts för den starkaste gravitationspåverkan.

Inom så starka gravitationsfält upphör Newtons gravitationslag att gälla.

Det avgörande testet för Einsteins relativitetsteori kom under en total solförmörkelse 1919.

Einstein hade djärvt nog förutspått att ljuset från en avlägsen stjärna som passerar nära solen böjs bort av stjärnans krökning av rymden, och nu skulle det visa sig om han hade rätt.

Under solförmörkelsen den 29 maj 1919 fotogra­ferade den brittiske astronomen Arthur Eddington en stjärna nära solen och under ett möte i de kungliga ­vetenskapliga akademierna i London den 6 november samma år kom till slut avslöjandet:

”Efter att noga ha undersökt fotografierna är jag ­beredd att meddela att det inte råder några som helst tvivel om att de bekräftar Einsteins förutsägelse,” konstaterade astronomen Frank Dyson.

Solen hade mycket riktigt böjt bort ljuset från stjärnan. Och superstjärnan Einstein hade knuffat ned ­Newton från tronen med sin allmänna relativitetsteori, som dagarna därpå ledde till rubriker världen över:

”Ljuset har hamnat på av­vägar på himlen”, konstaterade The New York Times och tillade: ”Vetenskapsmän är uppsluppna över observa­tioner av förmörkelser. Einsteins teori triumferar.”

Satellit mäter jordens krökning av rymden

Einsteins allmänna relativitetsteori är i dag den främsta teorin om gravitationskraften. Newtons gravitationslag duger dock fortfarande utmärkt till att beräkna exempelvis raketers banor när de skickas upp från jorden, där krökningen av rummet är minimal. Albert Einstein tvivlade själv på att det i praktiken var möjligt att mäta inverkan av jordens relativt svaga gravitationskraft på rymden.

Men 2011 meddelade Nasaforskare, som i ett eko från 1919, att Einsteins teori håller även på den punkten.

Med hjälp av fyra ultraprecisa gyroskop – apparater som används till att mäta riktning – hade satelliten ­Gravity Probe B testat Einsteins teorier i en omloppshöjd på 640 kilometer över jorden.

Mätningarna bestod i att följa rotationsaxeln på de fyra gyroskopen inne i sonden, vars teleskop var riktade mot en enda stjärna, IM Pegasi.

När de hade riktats rätt mot stjärnan kunde små förändringar i gyroskopens rotationsaxlar mätas av magnetiska kvantdetektorer.

Enligt Einstein skulle rotations­axlarna för Gravity Probe B:s gyroskop gradvis förändras på grund av jordens massa och rotation, och när forskarna gick igenom mätresultaten hittade de en vinkelförändring i gyroskopens inriktning.

Mätningarna avslöjade med andra ord slutgiltigt att jordens gravitationsfält kröker rymden, på samma sätt som en kula tynger ned gummiduken på en studsmatta.

”Med hjälp av det här banbrytande experimentet har vi testat Einsteins universum och teorierna håller”, fastslog en av forskarna, Francis Everitt från Stanford University, på en presskonferens den 4 maj 2011.

Fem år senare, i februari 2016, bekräftades Einsteins idé om krökning i rumtiden ännu en gång.

Då offentliggjorde fysiker från amerikanska Laser Inter­ferometer Gravitational Wave Observatory sensationellt att de hade mätt vågor i rum­tiden, så kallade gravitations­vågor som skvalpar genom världsrymden och sprider sig som ringar på vattnet.

Krusningarna i tid och rum kom från två svarta hål som hade krockat med varandra, vilket – precis som Einstein förutspådde – skapade vågor i rumtiden.

Överförs gravitationskraften av en partikel?

Trots att åtskilliga astronomiska observationer med tiden har bekräftat Einsteins relativitetsteori får forskarna ­något tomt i blicken när de ska förklara hur gravitationskraften fungerar.

Nu vet de att gravitationskraften finns, eftersom rymden kröks.Men hur kraften överförs – hur massor attraherar varandra – kan de inte svara på.

Det bästa förslaget för tillfället är att gravitationskraften bärs av en – tills vidare hypotetisk – partikel, en så kallad graviton. Just den hypotesen är inte tagen ur luften, eftersom samma princip styr de andra naturkrafterna.

Gravitationskraften är en av fyra grundläggande natur­krafter som styr vår värld.

Om atomer är universums byggstenar så är naturkrafterna det klister och murbruk som inte bara håller ihop atomerna, utan även talar om för materialet hur det ska bete sig.

Två av natur­krafterna, gravitationskraften och den elektro­magnetiska kraften, varar oändligt. Alla massor i universum attraherar varandra via gravitationskraft och den elektromagnetiska kraften syns till och med från avlägsna galaxer i form av ljus.

De två andra naturkrafterna – den starka och den svaga kärnkraften – verkar bara inuti atomerna, där den första håller ihop atomkärnan och den andra är ansvarig för radioaktivt sönderfall.

Av de fyra naturkrafterna är gravitationskraften den forskarna vet minst om, vilket kan tyckas paradoxalt eftersom vi känner av dess verkan överallt.

Men prob­lemet är att gravitationskraften är extremt mycket ­svagare än de andra naturkrafterna – till och med en kylskåpsmagnet övervinner ju lätt jordens gravitationskraft och lyfter upp en nål från golvet.

Fysiker har i experiment påvisat de partiklar som överför kraft genom såväl den elektromagnetiska ­kraften som den svaga och den starka kärnkraften.

Små energipaket, som fysikerna kallar kvantum, skickas ut och tas emot. Det bäst kända exemplet är ljuskvantum, fotoner, som överför den elektromagnetiska kraften.

När detta gäller för de tre andra naturkrafterna, varför skulle då den sista kraften i kvartetten – gravitationskraften – inte också fungera med hjälp av kvantum, resonerar de.

Problemet är bara att alla försök att hitta den tänkta gravitationspartikeln hittills har varit förgäves.

Men på det europeiska centret för partikelforskning, CERN, i Schweiz arbetar forskare nitiskt – fysikerna hoppas att i framtiden kunna mäta gravitonen under experiment i världens största partikelaccelerator – den 27 ­kilo­meter långa, underjordiska Large Hadron Collider.

I acceleratorn skjuts protoner i väg med hastigheter som är i närheten av ljusets hastighet, och när de träffar varandra uppstår partiklar som inte existerar under normala förhållanden.

Kraften döljer sig i osynliga dimensioner

Om man en dag lyckas bekräfta gravitonens existens kommer fysikerna att ha tagit ett jättesteg mot ett av veten­skapens största mål: En total teori om allting.

Teorin ska kunna förklara både det största och det minsta i ­universum – från stjärnor och galaxer till atomer och molekyler – och därmed även lösa den största av alla gåtor:

Vad orsakade stora smällen, världsrymdens ­explosiva födsel, för cirka 13,7 miljarder år sedan, och vad hände under tiden direkt efter stora smällen?

I jakten på en teori som förklarar alla fenomen har forskare genom historien sökt efter enkla naturlagar för att beskriva en komplex värld.

Men gravitations­kraften är det eviga problembarnet och den enda av de fyra ­naturkrafterna som inte kan förklaras med hjälp av kvantmekaniken – teorin om naturkrafterna i den minsta skalan – utan bara av Einsteins relativitetsteori.

”Vårt problem inom fysiken är att allting baseras på de här två så vitt skilda teorierna, och när vi försöker ­förena dem får vi gallimatias.”

Orden kommer från den amerikanske fysikern Edward Witten.

Kvantmekanikens och relativitetsteorins formler är ­matematiskt oförenliga, men Witten går i bräschen för det hittills bästa förslaget till en teori om allting – en teori som kan sammanföra Einsteins allmänna ­relativitetsteori och kvantmekaniken i ett lyckligt äktenskap.

Witten, som har kallats sin generations mest begåvade fysiker, har arbetat med den så kallade strängteorin sedan 1975.

Teorin eftersträvar en sammanhängande förståelse av materia och natur­krafter, och kärnan i teorin är att allting i universum – all materia och alla fyra naturkrafter – har bildats av närmast ogreppbart små, svängande strängar, som är universums minsta byggstenar.

Strängarna tänks vara trådar av energi som svänger i så många som elva dimensioner: De tre rumsliga samt tidsdimensionen plus sju andra dimen­sioner som är så hopknycklade att vi inte ser dem.

Enligt supersträngteorin är gravitationskraften inte svagare än de andra naturkrafterna, även om den ser ut att vara det – vi känner bara inte av dess fulla effekt eftersom den är utspridd över de extra dimensionerna.

Supersträngteorin lever upp till alla fysikernas krav på den länge eftersökta teorin om allting – men fallerar när det gäller dokumentation. Teorin är hittills ute­slutande en matematisk konstruktion och rena ­antaganden.

Strängarna och de extra dimensionerna är så försvinnande små att vi omöjligtvis kan få syn på dem. Därför kan teorin inte testas – såvida det inte ­inträffar ett mirakel i Large Hadron Collider.

Om detektorerna i partikelacceleratorn plötsligt ­spårar upp en oväntad gäst i form av en hittills okänd partikel kan det kanske visa sig vara den länge efter­sökta gravitonen, och som ger tecken innan den försvinner in i de osynliga dimensionerna.

Skulle det ske kommer forskarna, gravitationskraften till trots, nog att få ovanligt svårt att stå kvar med båda fötterna på jorden.

Läs nästa artikel i serien TankeSpinn

Vi upplever oss själva som ett jag som handlar av fri vilja i världen. Men studier på människor med hjärnskador avslöjar att vårt jag inte är så entydigt som vi kanske tror.