Ei varmaankaan oikeasti pudonnut omena Sir Isaac Newtonin päähän vuonna 1665, kolkuttaen irti valaistusta putoavien kappaleiden luonteesta. Ja kun kerran olet siinä, unohda mitä olet oppinut painovoimasta koulussa. Se ei oikeasti toimi niin. Mutta älä usko meitä. Antakaa painovoimateorian historian päävastustajien käydä itseään vastaan.
Kierros 1: Newton
”Painovoima on todella olemassa”, Newton totesi vuonna 1687. ” toimii niiden lakien mukaan, jotka olemme selittäneet, ja selittää runsaasti kaikki taivaankappaleiden liikkeet.” Ennen Newtonia kukaan ei ollut kuullut painovoimasta, saati käsitteestä universaali laki.
Cambridgen yliopisto, jossa Newton opiskeli, suljettiin ruton takia vuonna 1665. Löydettyään hengähdystauon lapsuudenkodistaan 23-vuotias syöksyi kuukausien kuumeiseen matemaattiseen aivoriiheen. Tämä ja epäilyttävä omenanlasku takapihan hedelmätarhassa loivat perustan hänen mestariteokselleen Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Principia-julkaisussaan Newton kuvasi painovoiman alati läsnä olevaksi voimaksi, vetovoimaksi, jota kaikki esineet kohdistavat läheisiin esineisiin. Mitä enemmän esineellä on massaa, sitä voimakkaampi on sen vetovoima. Kahden kappaleen välisen etäisyyden kasvattaminen heikentää vetovoimaa.
Principian matemaattiset selitykset näistä suhteista olivat yksinkertaisia ja erittäin käteviä. Newton pystyi yhtälöidensä avulla ensimmäistä kertaa selittämään, miksi Kuu pysyy Maan kiertoradalla. Tänäkin päivänä käytämme Newtonin matematiikkaa ennustamaan softballin heiton lentorataa tai kuuhun laskeutuvien astronauttien lentorataa. Itse asiassa kaikki jokapäiväiset havainnot painovoimasta Maassa ja taivaalla voidaan selittää melko tarkasti Newtonin teorian avulla.
Okei, uskomme sen. Mutta miten se toimii?
Hello?
Hiljaisuus Newtonin nurkasta.
Totuus on, että Newton pystyi kuvaamaan painovoiman, mutta hän ei tiennyt miten se toimii. ”Painovoiman täytyy johtua jostain tekijästä, joka toimii jatkuvasti tiettyjen lakien mukaan”, hän myönsi. ”Mutta sen, onko tämä tekijä aineellinen vai aineeton, olen jättänyt lukijoideni harkittavaksi.”
300 vuoteen kukaan ei todella pohtinut, mikä tuo tekijä voisi olla. Ehkä Newtonin nerokkuus pelästytti kaikki mahdolliset ehdokkaat. Mies keksi laskutoimituksen, herran tähden.
Ding. Kierros 2: Einstein
Albert Einsteinia ei ilmeisesti pelottanut. Hän jopa pyysi anteeksi. ”Newton, anna anteeksi”, hän kirjoitti muistelmiinsa. ”Sinä löysit ainoan tien, joka sinun aikanasi oli juuri ja juuri mahdollinen korkeimman ajattelun ja luovan voiman miehelle.”
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem
Vuonna 1915, kahdeksan vuoden ajatustensa lajittelun jälkeen, Einstein oli unelmoinut (kirjaimellisesti – hänellä ei ollut kokeellisia esiasteita) aineen, joka aiheutti painovoiman. Eikä se ollut pelkkä voima. Hänen yleisen suhteellisuusteoriansa mukaan painovoima on paljon oudompi: luonnollinen seuraus massan vaikutuksesta avaruuteen.
Einstein oli Newtonin kanssa samaa mieltä siitä, että avaruudella oli ulottuvuus: leveys, pituus ja korkeus. Avaruus saattoi olla täynnä ainetta tai sitten ei. Mutta Newton ei uskonut, että avaruuteen vaikuttavat siinä olevat esineet. Einstein uskoi. Hän esitti teorian, jonka mukaan massa voi ahdistaa avaruutta runsaasti. Se voi vääntää sitä, taivuttaa sitä, työntää tai vetää sitä. Gravitaatio oli vain luonnollinen seuraus massan olemassaolosta avaruudessa (Einstein oli vuoden 1905 erityisessä suhteellisuusteoriassaan lisännyt ajan neljäntenä ulottuvuutena avaruuteen ja kutsui tulosta avaruusajaksi. Suuret massat voivat myös vääristää aikaa nopeuttamalla tai hidastamalla sitä).
Voit havainnollistaa Einsteinin gravitaatiovääristymän astumalla trampoliinille. Massasi aiheuttaa painauman avaruuden venyvään kankaaseen. Vieritä pallo jalkojesi kohdalla olevan poimun ohi ja se kaartuu kohti massaasi. Mitä painavampi olet, sitä enemmän taivutat avaruutta. Katso trampoliinin reunoja – loimi pienenee, mitä kauempana massastasi olet. Siten samat newtonilaiset suhteet selitetään (ja ennustetaan matemaattisesti paremmalla tarkkuudella), mutta kuitenkin eri linssin, vääntyneen avaruuden, läpi. Siitäs sait, Newton, sanoo Einstein. Pahoittelen.
Einsteinin teoria löi myös voitokkaasti reiän Newtonin logiikkaan. Jos, kuten Newton väitti, painovoima oli vakio, hetkellinen voima, informaatio massan äkillisestä muutoksesta täytyisi jotenkin välittää koko maailmankaikkeuteen kerralla. Tässä ei ollut Einsteinin mielestä juurikaan järkeä. Hänen päättelynsä mukaan, jos Aurinko katoaisi yhtäkkiä, planeettojen kiertoradan lopettamiseen tarvittaisiin loogisesti jonkin verran matka-aikaa. Ja sen saapuminen Plutoon kestäisi varmasti kauemmin kuin Marsiin. Tuossa ei ollut mitään yleispätevästi välitöntä.
Mitä Einstein ehdotti viestinnän puuttuvaksi tekijäksi? Esiin tulee jälleen kerran hänen erittäin hyödyllinen avaruuspoimunsa. Aivan kuten lammikkoon heitetty kivi, massan muutos aiheuttaa avaruudessa aaltoilun, joka leviää lähteestään kaikkiin suuntiin valonnopeudella. Liikkuessaan aalto puristaa ja venyttää avaruutta. Kutsumme tällaista häiriötä gravitaatioaalloksi.
Tällä viimeisellä iskulla Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria selitti kaiken, mitä Newtonin teoria selitti (ja joitakin asioita, joita se ei selittänyt), ja vielä paremmin. ”Olen täysin tyytyväinen”, Einstein sanoi vuonna 1919. ”En enää epäile koko järjestelmän oikeellisuutta.”
Tällä kierroksella voitto Einsteinille.
Ding. Kierros 3: Seuraava aalto
Einstein saattoi ennustaa gravitaatioaallot, mutta hän ei juurikaan uskonut, että tiedemiehet koskaan havaitsisivat niitä. Gravitaatioaallot puristavat ja venyttävät avaruutta vain vähän. Itse asiassa se on naurettavan, hirvittävän, lähes mahdottoman pieni: etäisyys on satoja miljoonia kertoja pienempi kuin atomin etäisyys.
Tähän mennessä Einstein on ollut oikeassa. On kulunut kahdeksan vuosikymmentä siitä, kun hän esitteli yleisen suhteellisuusteorian, eikä gravitaatioaaltoa ole vielä havaittu. Vasta vuonna 1974 tutkijat pääsivät edes lähelle. Tuona vuonna kaksi radiotähtitieteilijää, Joseph Taylor ja Russell Hulse, analysoivat toisiaan kiertävää neutronitähtiparia (supertiheitä romahtaneita tähtiä). Hulse ja Taylor huomasivat, että kiertoradat nopeutuivat nopeudella, jonka Einstein ennusti tapahtuvan, jos järjestelmä todellakin synnyttäisi gravitaatioaaltoja. Ensimmäiset epäsuorat todisteet gravitaatioaalloista olivat olemassa, mutta itse aaltoja ei mitattu suoraan.
Vaikka mikä tahansa objekti voi synnyttää gravitaatioaaltoja, vain äärimmäisen massiiviset objektit tuottavat tarpeeksi suuria avaruuden vääristymiä mitattavaksi. Tällaisia jättimäisiä massamuutoksia esiintyy vain avaruudessa, kuten kiertävissä neutronitähdissä, törmäävissä mustissa aukoissa tai supernovissa. Tutkijat etsivät nyt näistä lähteistä peräisin olevia aaltoja yhdellä kaikkien aikojen tarkimmista tieteellisistä instrumenteista: LIGO, Laser Interferometer Gravitational wave Observatory. LIGO on jättimäinen, älykäs ja oudon näköinen, ja sen kehittämiseen kului yli 365 miljoonaa dollaria ja 30 vuotta. Sen kyky mitata äärettömän pieniä etäisyyksiä voi auttaa nostamaan gravitaatioaaltojen ”löydön” milloin tahansa jokaisen sanomalehden etusivulle ja ennakoida seuraavaa suurta kierrosta painovoiman ymmärtämisessä.
Linkkejä
NOVA:n Elegantti maailmankaikkeus
Aikajana gravitaatiohistoriasta
Katsele Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa käsittelevää artikkelia ja kuvaa avaruusavaruuden poimuilusta
