Merkurius bana svänger långsamt runt solen, och när astronomer drar från dragningen av alla andra planeter i solsystemet, faller Newtons egna ekvationer fortfarande kort från den observerade svängningen med 43 bågsekunder per århundrade. Det låter som ett avrundningsfel. Det är faktiskt sprickan som till slut tvingade fysiker att skriva om gravitationen från början.
Gravitation håller månar i bana, håller floder som löper nerför, och fäster varje läsare i sin stol, men det tog mer än tusen år av gissningar, en Newtonsk ekvation och en patentbyråns dagdröm i Bern för att få en fungerande beskrivning av det. Även då visade sig gravitationen vara tillräckligt märklig för att dess attraktion mellan två elektroner endast är 1 del på 4,17×10⁴² av den elektriska repulsionen mellan dem — en kraft så svag på atomskalan att dess övervälde över planeter och galaxer kan kännas som en motsägelse.
Här är vad arkivet faktiskt visar: vem som gissade gravitation århundraden före Newton, hur hans lag testades och där den brast, och vad som ersatte den.
Gravitationes Långa Förhistoria
Tanken på att saker faller till jorden är gammal, men tanken på att gravitation skulle kunna fungera på samma sätt överallt är mycket äldre än Newton. Den indiska matematikern och astronomen Brahmagupta, som skrev år 628 e.Kr., beskrev gravitation som en attraktion som drar föremål mot jorden — han kallade det gurutvakarshan, en term som föregår Newtons Principia med mer än tusen år.
Långt innan någon kunde mäta gravitationen noga, var det nödvändigt för någon att visa att dess attraktion inte bryr sig om hur tungt ett föremål är. År 1586 släppte den flamländske fysikern Simon Stevin två kanonkulor av mycket olika storlek och vikt från ett torn i Delft och fann att de träffade marken nästan samtidigt, en direkt observerad demonstration av att vikt ensam inte avgör hur snabbt något faller.
Newtons Ekvation, Testad i en Källare
Isaac Newton vek observationer som Stevins in i en enda lag i Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, boken han publicerade 5 juli 1687. Den reducerade gravitation till en enda snygg formel, F = Gm1m2/r², där G är en konstant inställd på 6,674×10⁻¹¹ — ett tal så litet att dess effekt mellan två vardagliga föremål nästan är omöjlig att känna.
Newton mätte aldrig G själv. Det tog över ett århundrade innan Henry Cavendish, en brittisk vetenskapsman, genomförde det första laboratorietestet av Newtons gravitationslag: år 1798 vägde han blykulor mot varandra för att visa att samma kraft som drar planeter tillsammans också verkar mellan föremål på ett bord.
Från en Förutsedd Planet till en Oförklarlig Svängning
Newtons lag var tillräckligt noggrann för att göra något anmärkningsvärt: hitta en planet som ingen hade sett ännu. År 1846 beräknade John Couch Adams och Urbain Le Verrier, som arbetade oberoende som astronomer, var en osynlig kropp måste dra på en grannplanets bana, och ett teleskop riktat mot den delen av himlen hittade Neptunus nästan på en dag.
Men samma lag gav en liten, ihärdig avvikelse mycket närmare hemmet. Då gravitationsdragningen från alla andra planeter subtraheras från Merkurius bana, missa Newtons ekvationer fortfarande den observerade svängningen med 43 bågsekunder per århundrade — för liten för att spela någon roll för de flesta ändamål, men för stor för att fysiker bara ska rucka på axlarna.
Einsteins Nya Bild av Fallande
Lösningen kom till slut från en patentbyråns anställd i Bern. År 1905 publicerade Albert Einstein artikeln som introducerade speciell relativitet, som vänd upp och ned på hur fysiker tänkte på rum och tid.
Två år senare hade han det han senare skulle kalla det lyckligaste insikten i sitt liv: någon i fritt fall känner sig viktningslös, som om gravitationen helt enkelt hade stängts av för dem. Att arbeta den idén genom matematiken tog ytterligare åtta år, och Einstein publicerade inte sin färdiga allmänna relativitetsteori förrän 1915.
Den nya teorien förtjänade sin plats nästan omedelbar. Dess förutsägelser motsvarade Merkurius märkliga bansvängning, och de förklarade också varför stjärnljus böjs när det passerar nära solen — stänger det exakta gapet som Newtons ekvationer aldrig kunde ta hänsyn till.
Lyssna på Krusningar i Rumtiden
Allmän relativitet förutsade också att massiva, accelererande föremål skulle skaka själva rumtiden och sända ut gravitationsvågor. Det första beviset på detta kom indirekt: astronomerna Hulse och Taylor spårade den binära pulsaren PSR1913+16, som de hade funnit 1974, och såg hur dess bana krympte vid exakt den hastighet som utsändningen av gravitationsvågor skulle förutsäga. Upptäckten gav dem Nobelpriset i fysik 1993.
Direkt bevis väntade på en annan generation. LIGO- och Virgo-samarbetet annonserade 11 februari 2016 att de hade plockade upp en faktisk gravitationsvåg: en signal namngiven GW150914 som anlände 14 september 2015 klockan 09:50:45 GMT. Den hade producerats av två svarta hål, som vägde 29 och 36 gånger solens massa, spiralande tillsammans och smälta samman ungefär 1,3 miljarder ljusår från jorden.
Gravitation Beror på Var Du Står
Även utan att lämna planeten är gravitation inte ett fast tal. Jordens dragning varierar med cirka 0,7 procent över dess yta, från ett lägsta värde på 9,7639 m/s² på toppen av Nevado Huascarán i Peru, upp till ett högsta värde på 9,8337 m/s² på Arktiska oceanens yta.
Dessa knölar och dalar framgår tydligt på satellitgravitationskart, krediterade till CHAMP- och GRACE-uppdragen tillsammans med GFZ-, NASA- och DLR-myndigheterna, som avslöjar varför vissa fläckar på jorden drar lite hårdare än andra. Kartan cirkulerade brett efter att ha producerats 2005, och en ännu känsligare version följde 2011 då instrumenten förbättrades.