Ugens ekspertspørgsmål: Vejer lys noget?
Henrik Dall vil gerne vide, hvordan lys kan blive afbøjet af tyngdekraften:
”Hvis en foton ingen masse har, hvorfor afbøjes lys så af stærke tyngdefelter?”
Ingeniørens teknologiredaktør Jens Ramskov svarer:
I dette tilfælde er en historisk gennemgang nok den bedste vej til at komme frem til svaret.
I sit mirakelår 1666 fandt Newton bl.a. frem til tyngdeloven: To masser tiltrækker hinanden med en kraft, som er proportional med produktet af deres masser og omvendt proportional med kvadratet på afstanden. Newton beskrev den sammen med sin andre mekaniske love i Principia Mathematica, der udkom i 1687.
Newton udviklede også omkring samme tid en teori for lys, som han først udgav i 1704 i afhandlingen Opticks. Newton forklarede, at lys bestod af små partikler (korpuskler) med en meget lille masse, og således at forskellige farver havde forskellig masse - massen måtte dog være meget lille og helt umålelig med datidens teknologi. Newton afsluttede Opticks med en række spørgsmål (queries).
Det første lød: ”Do not Bodies act upon Light at a distance, and by their action bend its Rays, and is not this action strongest at the least distance?”
I 1801 tog den tyske fysiker Johann von Soldner bolden op. Han beregnede, hvordan Newtons lys-korpuskler ville blive afbøjet, når de passerede forbi et tungt objekt som en stjerne. Og det interessante var, at resultatet ikke afhang af korpusklernes masse, som jo ikke var kendt (i dag ved vi, at lysets bestanddele, fotoner, ingen masse har).
Soldner beregnede, at en lysstråle ville blive afbøjet i en vinkel på 2GM/(c^2r), hvor G er gravitationskonstanten, M er stjernens masse, c er lysets hastighed og r er afstanden til stjernens midte. Det vil sige, at en lysstråle, der passerer meget tæt forbi Solen, vil afbøjes med ca. 0,87 buesekunder. Henry Cavendish havde lavet en lignende beregning i 1784, men han offentliggjorde aldrig sit resultat.
Men med Einsteins specielle relativitetsteori fra 1905 stod det klart, at Newtons love i visse situationer ikke kunne være korrekte – og Newtons korpuskelteori var for længst forkastet. Så om lysstråler virkelig ville afbøjes af tyngdefelter var et uafgjort problem. I 1915 færdiggjorde Einstein sit mesterværk, den generelle relativitetsteori. Ifølge den påvirkes rum og tid af massefordelingen i Universet. Ofte sammenlignes det med en række tunge kugler, der hviler på et gummiunderlag og på samme tid forandrer gummiunderlagets form.
Når rummet krummes, kan masserne falde mod hinanden. Hvis rummet krummes, som Einstein forklarede, vil lysets bane naturligvis ændres, hvor rum-krumningerne er store. Einstein beregnede, at en lysstråle, der passerer tæt forbi en stjerne vil afbøjes med en vinkel på 4GM/(c^2r) – altså det dobbelte af den værdi, som kunne findes med Newtons klassiske mekanik.
Under normale forhold er det ikke let at bestemme, hvordan lyset fra fjerne stjerner påvirkes, når de passerer tæt forbi Solen, da Solen simpelt hen blænder for meget til at muliggøre målinger. Men under en solformørkelse kan det lade sig gøre. Den britiske astronom Arthur Eddington satte sig for at udføre målingen under solformørkelsen i 1919.
I mange videnskabelige kredse var der tvivl, om målingen ville vise en afbøjning på 0 buesekunder, 0,87 buesekunder (Newtons teori) eller 1,75 buesekunder (Einsteins teori). Men året efter kunne Eddington fremlægge resultaterne af de komplicerede målinger, og de stemte overens med Einsteins teori.
Einstein var allerede et stort navn i videnskabelige kredse, men Eddingtons målinger blev startskuddet til Einsteins folkelige berømmelse.
Efter denne historiske gennemgang kan vi endelig komme frem til svaret: Fotoner afbøjes af stærke tyngdefelter, fordi stærke tyngdefelter krummer rummet - mest ekstremt ved sorte huller.
Henrik Dall vinder to billetter til Experimentarium for sit spørgsmål.
Er du rigtig klog? Nu kan du udfordre dine venner med ekspert-spørgsmål fra Scientariet i Ingeniørens nye Facebook-quiz "Så ka' du lære det!". Klik her for at deltage i quizzen og teste dine venner.
Spørg Scientariet er redigeret af Julian Henlov, juh@ing.dk.
Utætheder skyldes uvidenhed og byggesjusk
Er mørkt stof en negativ tyngdekraft?
