Merkuuri orbiit keiab aeglaselt päikese ümber ja kui astronoomid lahutavad Päikesesüsteemi kõigi teiste planeetide tõmbe, jäävad Newtoni omad võrrandid siiski 43 kaarsekundit sajandis vaadeldava vibratsiooni maha. See kõlab ümardusveana. Tegelikult on see pragu, mis lõpuks sundis füüsikuid gravitatsiooni nullist ümber kirjutama.
Gravitatsioon hoiab kuusid orbiidil, hoidab jõgesid rinnast alla voolavad ja kinnitab iga lugeja oma toolil, kuid tuli rohkem kui tuhat aastat oletusi, ühte Newtoni võrrandit ja patendibüroo kirjutaja unistust Bernas, et saada selle toimimise kirjeldus. Isegi siis osutus gravitatsioon piisavalt kummaliseks, et tema atraktsioon kahe elektroni vahel on ainult 1 osa 4,17×10⁴²-st elektrilisest tõukest nende vahel — jõud, mis on aatomites nii nõrk, et tema valitsus planeetide ja galaktikatest võib tunduda vastuoluliselt.
Siin on see, mida teade tegelikult näitab: kes arvas gravitatsiooni sajandeid enne Newtoni, kuidas tema seadust testiti ja kuidas see murdus ning mis selle asendas.
Gravitatsiooni Pikk Ajalooeelne Aeg
Mõte, et asjad langev Maale, on vana, kuid mõte, et gravitatsioon võiks igal pool sama viisil toimida, on palju vanem kui Newton. India matemaatik ja astronoom Brahmagupta, kes kirjutas 628. aastal, kirjeldas gravitatsiooni kui tõmmet, mis tõmbab objekte Maa poole — ta nimetas seda gurutvakarshaks, terminiks, mis eelneb Newtoni Principiale üle tuhande aasta.
Palju enne, kui keegi oleks gravitatsiooni täpselt mõõta saanud, pidi keegi näitama, et selle tõmme ei hoolitse eseme raskusest. 1586. aastal kukkus flaami füüsik Simon Stevin Delfti torni pealt väga erineva suuruse ja kaaluga kaks kuuli alla ja avastas, et need tabavad maad peaaegu samaaegselt, otseselt vaadeldav tõestus, et kaal üksi ei määra, kui kiiresti midagi langeb.
Newtoni Võrrand, Katsetatud Keldris
Isaac Newton voltis Stevini sarnased vaatlused üheks seaduseks Philosophiae Naturalis Principia Mathematicasse, raamatusse, mille ta avaldas 5. juulil 1687. See vähendasid gravitatsiooni üheks üheks, F = Gm1m2/r², kus G on konstant, mis on seatud 6,674×10⁻¹¹ — arv, mis on nii väike, et selle toime kahe tavalise objekti vahel on peaaegu võimatu tunduda.
Newton ei mõõtnud kunagi G-d. Kulus üle sajandi enne, kui Briti teadlane Henry Cavendish viis läbi Newtoni gravitatsiooniseaduse esimese laboratoorikatse: 1798. aastal kaalus ta pliikuule üksteise vastu, et näidata, et sama jõud, mis tõmbab planeete kokku, toimib ka lauale paigutatud objektide vahel.
Ennustatud Planeedist Selgitamatule Vibratsionile
Newtoni seadus oli piisavalt täpne, et teha midagi märkimisväärset: leida planeet, mida keegi ei olnud kunagi näinud. 1846. aastal arvutasid John Couch Adams ja Urbain Le Verrier, kes töötasid iseseisvalt astronoomidena, kuhu nähtamatu keha pidi võdama naaberpäikelike orbiiti, ja teleskoobiga selle taevasse suunatud leidis Neptuuni peaaegu päeva jooksul.
Kuid sama seadus tekitas väikese, harjunud lahknevuse palju lähemale kodule. Kui kõigi teiste planeetide gravitatsioonitõmme lahutada Merkuuri orbiidist, jäävad Newtoni võrrandid siiski 43 kaarsekundit sajandis vaadeldava vibratsiooni maha — liiga väike, et enamus eesmärkeiks oleks tähtis, kuid liiga suur, et füüsikud lihtsalt õlgavaretsuks.
Einsteini Uus Langemise Pilt
Lahendus tuli lõpuks Bernis patendibüroo kirjutajalt. 1905. aastal avaldas Albert Einstein artikli, mis tutvustas erilist relatiivsusteooriat ja pöördus, kuidas füüsikud ruumist ja ajast arvasid.
Kaks aastat hiljem oli tal see, mida ta hiljem kutsus oma elu õnnelikumaks realiseerimiseks: keegi vabal langemisel tunneb end kaaluta, nagu oleks gravitatsioon neile lihtsalt välja lülitatud. Selle ideega matemaatika kaudu töötamine võttis veel kaheksa aastat ja Einstein ei avaldanud oma valmis üldist relatiivsusteooriat enne 1915. aastat.
Uus teooria teenis oma koha peaaegu kohe. Tema ennustused langesid kokku Merkuuri kummalise orbiidi vibratsiooniga ja selgitasid ka, miks tähtede valgus kõverdub, kui see päikese lähedale möödub — sulges täpse lõhe, mida Newtoni võrrandid kunagi ei saanud arvestada.
Lainete Kuulamine Aegruumis
Üldine relatiivsusteooria ennustas ka, et massiivsetele, kiirenevate objektidele tuleb raputada ruumi-aega ennast, kiirgades gravitatsioonilaineid. Esimene tõestus sellest tuli kaudselt: astronoomid Hulse ja Taylor jälgisid kahendarkarit PSR1913+16, mille nad 1974. aastal leidsid, ja nägisid, kuidas selle orbiit vähenes täpselt kiirusega, mida gravitatsioonilainete kiirgus ennustaks. See avastus tõi neile 1993. aasta Nobre füüsika preemia.
Otsene tõestus ootas veel ühe põlvkonna. LIGO ja Virgo koostöö teatasid 11. veebruaril 2016, et nad olid tegelikult gravitatsioonilainele otsinud: signaali nimega GW150914, mis saabus 14. septembril 2015 kell 09:50:45 GMT. Selle olid tekitanud kaks mustust auku, mis kaalusid 29 ja 36 korda päikese massi, spiraalides kokku ja ühendudes ligikaudu 1,3 miljardi valgusaasta kaugusele Maast.
Gravitatsioon Sõltub Sellest, Kus Te Seisate
Isegi planeedist lahkumata pole gravitatsioon fikseeritud arv. Maa tõmme varieerub ligikaudu 0,7 protsendi võrra kogu pinnale, alates 9,7639 m/s² miinimumist Nevado Huascaráni tipus Peruu, kuni maksimumini 9,8337 m/s² Arktikas ookeanis.
Need nugad ja tassid ilmuvad selgelt satelliidgravitatsiooni kaartidel, omistatud CHAMP ja GRACE missiooni koos GFZ, NASA ja DLR agentuuridega, mis paljastavad, miks mõned Maa osas tõmbavad veidi rohkem kui teised. Kaart ringles laialdaselt pärast selle tootmist 2005. aastal ja veelgi tundlikum versioon järgnes 2011. aastal, kuigi instrumendid paranesid.