Po sukcesach ogólnej teorii względności opracowanej przez Alberta Einsteina na początku XX wieku, która wprowadziła najdokładniejszy opis grawitacji i spojrzenie na nią, po raz pierwszy pojawiła się możliwość wykorzystania nowej matematyki w celu opisania Wszechświata jako całości. Garstka fizyków-geniuszy nie prowadziła już filozoficznych rozważań na temat naszego istnienia. Zajęli się obliczaniem struktury i ewolucji Wszechświata.

Model Newtona

Nawet dziś w szkole uczymy się, że grawitacja jest siłą, która trzyma nas przy Ziemi. Albo że jest to oddziaływanie, które skutkuje przyciąganiem się dwóch obiektów, i im większe są masy tych obiektów, tym silniejsze jest to przyciąganie. Trudno się z tym nie zgodzić – potwierdzają to nasze codzienne doświadczenia. W ten sposób rozumował sam Izaak Newton. Jest to jednak tylko model – przybliżenie tego, czym jest grawitacja.
Obecnie króluje inny model – dokładniejszy, choć z pewnością nie idealny. Chodzi o ogólną teorię względności.

Co wymyślił Einstein?

Zaczęło się od eksperymentu myślowego, który nurtował samego Einsteina. Wyobraźmy sobie, że siedzimy wygodnie na krześle w zamkniętym pomieszczeniu. Siedzimy, bo oczywiście grawitacja ciągnie nas w dół. Co jednak stałoby się, gdyby magnicznie wyłączyć grawitację i w tym samym momencie całe pomieszczenie wraz z nami poruszyć i przyspieszyć w górę. Dokładnie tak jak to jest w windzie, która startuje, a my przez chwilę czujemy się ciężsi. Gdyby to przyspieszenie było odpowiednio dobrane, to nawet nie zauważylibyśmy różnicy między wbijaniem nas w krzesło przez grawitację a wbijaniem przez ten ruch przyspieszony. Ta prosta obserwacja zapoczątkowała dziesięć lat pracy Einsteina nad nowym opisem grawitacji, który skupiał się właśnie na ruchu wymuszanym przez grawitację.

Powyginana czasoprzestrzeń

By sformułować nową teorię trzeba było wprowadzić pojęcie czasoprzestrzeni. Brzmi skomplikowanie i jest skomplikowane. Sama przestrzeń jest w miarę intuicyjna. My żyjemy w trójwymiarowej przestrzeni – możemy poruszać się w przód i w tył, na boki oraz w górę i w dół. Do tego trzeba dołożyć czas. Tutaj, jak nam się wydaje, mimowolnie poruszamy się stale do przodu w czasie. Sekunda po sekundzie, dzień po dniu – starzejemy się, a wszystko wokół nas ewoluuje. Takie zlepienie poruszania się w przestrzeni i w czasie opiszemy właśnie jako ruch w czasoprzestrzeni.

A jak ta czterowymiarowa czasoprzestrzeń wygląda? Tutaj nasz mózg nie daje już rady. Nie potrafimy tak abstrakcyjnie myśleć. Nie jest to do wyobrażenia. Ale możemy spróbować wrócić do niższych wymiarów. Gdyby ta czasoprzestrzeń była dwuwymiarowa, to rozciągałaby się jak nieskończona kartka papieru. Co więcej, nie musiałaby być ona płaska. Mogłaby falować, uginać się i fałdować. W takim przypadku to, co nazywamy grawitacją, nie jest już tajemniczą siłą, lecz po prostu przejawem tej powyginanej czasoprzestrzeni. Obiekty naturalnie będą wpadały w miejsca, gdzie ta czasoprzestrzeń jest wklęsła. Fizycy powiedzieliby, że jest tam studnia grawitacyjna. W Muzeum Grawitacji czeka na Was jej prosty model – interaktywny eksponat, przy którym sami możecie spróbować pobawić się zakrzywioną czasoprzestrzenią.

Uwięzieni w grawitacji

Dlaczego więc jabłko spada na Ziemię? Nie ma tu żadnego ciągnięcia w stronę planety. Puszczony owoc porusza się swobodnie, a to ugięcie czasoprzestrzeni wokół Ziemi sprawia, że nie może poruszać się inaczej niż w stronę środka Ziemi. Wszystkie drogi tam prowadzą, bo tak silnie zakrzywia czasoprzestrzeń nasza planeta.

Jeszcze silniej zakrzywiają czasoprzestrzeń czarne dziury – obiekty, w których istnienie sam Einstein, mimo że wynikały z jego teorii, do końca nie wierzył. Dziś nie wyobrażamy sobie rozważań o Wszechświecie bez czarnych dziur. To one stanowią centra galaktyk – również tej naszej – Drogi Mlecznej. Czasoprzestrzeń jest niewyobrażalnie zakrzywiona wokół nich (ich masy przekraczają miliony mas Słońca). Czarna dziura więzi wszystko, co
krąży wokół niej, i skupia setki miliardów gwiazd w naszej galaktyce.