Gravitasjon

Gravitasjon er et generelt fenomen hvor alle objekter med masse eller ren energi, fra de minste elementærpartikler til de største galaksehoper, trekkes eller graviterer mot hverandre. I vanlig dagligtale sier man at de er påvirket av en gravitasjonskraft. Sammen med den elektromagnetiske, svake og sterke kjernekraften utgjør den en av de fire fundamentale vekselvirkninger i Universet. Men den er mye svakere enn de tre andre og blir derfor med stor nøyaktighet vanligvis neglisjert i atom og kjernefysikk.
Derimot i den makroskopiske verden er gravitasjon avgjørende for livet på Jorden med dannelse av hav og fjell, vær og klima. Den er den dominerende kraft i dannelse av stjerner og planeter. Og det er Einsteins gravitasjonsteori som er grunnlaget for moderne kosmologi som beskriver egenskapene og utviklingen til hele Universet.

Historisk bakgrunn

Egenskapene til gravitasjon ble først matematisk formulert i 1687 av Isaac Newton som en attraktiv kraft mellom to masser. Newtons gravitasjonslov  ga en forklaring av Keplers lover for planetenes bevegelse rundt Solen. Denne loven forklarer også like godt hvordan et eple faller ned mot Jorden som Månens bevegelse rundt denne og hvordan flo og fjære dermed oppstår. 
Mer nøyaktige observasjoner av planetenes bevegelser viste at deres baner hadde små avvik fra eksakte Kepler-ellipser som gravitasjonskraften fra Solen alene ville gi opphav til.  Matematiske arbeid, som nådde sitt høydepunkt med Pierre-Simon Laplace i hans store verket  Mécanique Céleste på begynnelsen av 1800-tallet, viste at disse perturbasjonene kunne forklares ved  samme lov for de tilsvarende, men svakere gravitasjonskreftene mellom de enkelte planetene. Riktigheten av disse beregningene ble bekreftet i 1846 med oppdagelsen av planeten Neptun. I de følgende årene var det kun presesjonen av Kepler-ellipsen til planeten Merkur som ikke lot seg forklare ved den newtonske gravitasjonsteorien.
Etter at Albert Einstein i 1905 hadde formulert den spesielle relativitetsteorien, gikk han i gang med å inkludere gravitasjon i denne teorien hvor tid og rom er forent i et firedimensjonalt tidrom. Dette lyktes først i 1915 med etableringen av den generelle relativitetsteorien hvor han viste at tidrommet i allminnelighet har en ikke-euklidsk, riemannsk geometri. Tilstedeværelse av masse eller energi vil gi det en krumning som kan beregnes fra Einsteins feltligning. Alle partikler beveger seg fritt i dette rommet og følger geodetiske linjer. Det som i dagligtale omtales som en gravitasjonskraft,  er dermed et resultat av tidrommets krumning. Teorien fikk sin første bekreftelse ved at den forklarte Merkurs perihelbevegelse.
Einsteins gravitasjonsteori forenkles til den newtonske teorien når de gravitasjonelle vekselvirkningene er små og alle bevegelser er mye mindre enn lyshastigheten.  Men den forutsier også nye fenomen som gravitasjonell rødforskyvning, sorte hull og et ekspanderende Univers. Til dags dato er alle observasjoner og målinger i overensstemmelse med denne teorien.

Einsteins gravitasjonsteori

I sin spesielle relativitetsteori viste Einstein i 1905 hvordan Maxwells teori for elektromagnetiske krefter var forenlig med hans postulat om lyshastighetens konstante verdi i alle inertialsystem. Slike krefter kan beskrives ved elektromagnetiske felt som følger fra et firevektor potensial Aμ(x) som forener de elektriske og magnetiske kreftene i klassisk elektrodynamikk. Disse feltene eksisterer i et firedimensjonalt tidrom som har en flat geometri.
Noen få år etter dette gjennombruddet tok Einstein opp spørsmålet om hvordan Newtons gravitasjonsteori kunne gjøres kompatibel med hans nye relativitetsprinsipp. Han ville nå gjøre fysikkens lover gyldig i alle referansesystem, ikke bare i inertialsystem forbundet ved Lorentz-transformasjoner, men helt generelt relatert til hverandre med  vilkårlige koordinattransformasjoner. I praksis vil det si å kunne beskrive fysikk også i akselererte koordinatsystem. Det lykkes han ved å introdusere ekvivalensprinsippet som sier at det er ikke noen forskjell mellom gravitasjonskrefter og de krefter man er utsatt for når man akselereres.