Einsteins idé om tiden testad med satelliter
Tack vare ett fatalt misstag har forskare kunnat testa Albert Einsteins idé om att tiden rör sig långsammare nära stora objekt. Förhoppningen var att hitta avvikelser från denna teori, något som exempelvis skulle kunna ge en alternativ förklaring till mörk materia.
Det var 2014, när två av de 26 satelliter som ingår i det europeiska navigationssystemet Galileo skulle skjutas upp, som något gick galet. I stället för att gå in i en cirkulär bana runt jorden, som tänkt, gick dessa två satelliter in i en elliptisk bana – till rymdingenjörernas stora förtret.
Men för ett tyskt och ett franskt forskarteam blev detta i stället en unik möjlighet. Ombord på dessa satelliter finns nämligen olika atomur, däribland så kallade passiva vätemasrar, som bara drar sig en sekund på 2,7 miljoner år.
Föremålet för forskarnas nyfikenhet var den allmänna relativitetsteorin som den tyske fysikern Albert Einstein presenterade för drygt hundra år sedan. För enligt denna ska tiden gå långsammare i ett gravitationsfält. Det vill säga nära en massiv kropp, som jorden, än ute i rymden.
– Det låter konstigt, men det är en konsekvens av den så kallade ekvivalensprincipen, säger Mikael Smedbäck, doktor i teoretisk fysik.
I århundraden hade vetenskapen brottats med att förklara gravitationen, det vill säga det fenomen som gör att saker och ting på jorden ”faller neråt”. Fenomenet hade ingen bra förklaring förrän Albert Einstein lanserade sin allmänna relativitetsteori 1915 och erbjöd en geometrisk lösning.
För enligt Einstein förändrar en massiv kropp, som jorden, rummets geometri. Krökningen påverkar i sin tur allt som passerar nära massan, så att detta viker av och får en förändrad bana, något som ger upphov till det vi vanligtvis kallar för gravitation.
Gravitationen uppstår genom att en kropp som rör sig genom rummet alltid följer den energisnålaste vägen, det vill säga den går rakt fram. Men om rummet är krökt blir ”rakt fram” i stället en krokig bana för en åskådare. Den ”kraft” som tycks böja av föremålets bana är vad vi vanligtvis kallar gravitation.
En bärande tanke inom gravitationsteorin är ekvivalensprincipen, det vill säga den princip som gör att föremål av olika vikt faller med samma hastighet mot jorden. Om man bortser från luftmotståndet faller alltså en fjäder och en kanonkula lika fort.
En följd av denna princip är även att tiden går långsammare i ett gravitationsfält. Och det var detta fenomen som forskarna nu ville testa.
Det mest korrekta testet dittills hade genomförts 1976 då man sköt upp en raket, Gravity Probe A, 10 000 kilometer ut. Ombord på raketen fanns ett atomur som jämfördes med en liknande klocka på jorden. Och experimentet visade mycket riktigt att tiden går lite långsammare nära jorden, än långt ifrån.
– Poängen med att testa flera gånger är att göra det med större noggrannhet för att på så vis se om det finns avvikelser, för att ta reda på om Einsteins teori trots allt inte alltid stämmer perfekt. För det finns saker i universum, som galaxernas rörelser, som inte går att förklara givet den materia man faktiskt ser. Detta har förklarats med förekomsten av mörk materia. En annan hypotes är att det är gravitationsteorin som inte stämmer och behöver modifieras, säger Mikael Smedbäck.
De båda forskarlagen utgick från satelliter som, tack vare den felaktiga uppskjutningen, stiger och faller med 8 500 kilometer i förhållande till jorden under varje varv. På så sätt kunde forskarna under tre års tid analysera hur tiden gick fortare alternativt saktade in beroende på om satelliten var på väg mot eller bort från jorden.
Forskarna, som nyligen presenterade sina resultat i Physical Review Letters, lyckades på så sätt mäta ekvivalensprincipens påverkan på tiden med en fem gånger högre noggrannhet än tidigare experiment.
– I stället för en felmarginal på 0,014 procent blev den 0,003 procent, säger Mikael Smedbäck.
Några avvikelser från Einsteins teori hittades dock aldrig.