Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Painovoiman etsintä avaa seitsemän kätkettyä ulottuvuutta

Painovoima pitää jalkamme vankasti Maan pinnalla, mutta silti se on moninkertaisesti heikompi kuin muut luonnon perusvoimat. Fyysikot ovat myös turhaan etsineet hiukkasta, joka välittää painovoimaa – mutta ehkäpä arvoituksen ratkaisu piilee universumin seitsemässä, toistaiseksi tuntemattomassa ulottuvuudessa.

Shutterstock

Joitakin päiviä sen jälkeen, kun astronautti Jack Lousma oli palannut Maahan vietettyään kaksi kuukautta yhdysvaltalaisella Skylab-avaruusasemalla, hän jätti partavesi­pullonsa kädestään ilmaan.

Kolahdus ja lasin­sirpaleet palauttivat hänen ajatuksensa sananmukaisesti Maan pinnalle. Avaruusasemalla hän oli tottunut siihen, että kaikki leijui ympäriinsä painottomuudessa. Kotona kylpyhuoneessa vallitsivat kuitenkin toisenlaiset lait. Maassa meitä hallitsee painovoima, ja vaikka se ei tavallaan näy missään, se vaikuttaa niin suuriin kuin pieniinkin kappaleisiin – myös lasipulloon.

Kun nostat kahvikupin pöydältä, tunnet heikosti tietyn näkymättömän voiman. Sama voima on kyseessä silloin, kun puhelimesi putoaa asfaltille.

Ja kun nouset vaa'alle, juuri tämä voima ratkaisee, mitä lukemaa vaaka näyttää. Maata ja maailmankaikkeutta ei edes voisi olla olemassa, jos ei olisi painovoimaa.

© Marie Wengler

Lähes 14 miljardia vuotta sitten, heti alkuräjähdyksen jälkeen, painovoima veti ainetta kasaan niin, että muodostui tähtiä ja planeettoja.

Saman voiman vuoksi maapallo on pyöreä. Painovoima yrittää nimittäin vetää kaikkea sitä ainetta, mistä planeetat koostuvat, kohti niiden keskustaa. Koska aine ei kuitenkaan painu kokonaan kasaan, planeetat ovat muodoltaan pyöreitä.

Painovoimaa voidaan kuvata kaikkeuden mahtavimmaksi kuninkaaksi. Vaikka sen vaikutus saattaa näyttää itsestäänselvältä, se on yksi tieteen suurimmista arvoituksista. Joka kerta, kun tutkijat ovat vähän onnistuneet raottamaan sitä peittävää verhoa, he ovat toisaalta törmänneet taas uusiin ongelmiin.

Tärkein yhä ratkaisematon arvoitus on se, miten painovoima välittyy.

Jotkut tutkijat arvelevat, että on olemassa sitä välittävä hiukkanen, mutta vaikka hiukkaselle on annettu jo nimikin, gravitoni, sitä ei sitkeistä yrityksistä huolimatta ole onnistuttu havaitsemaan käytännössä.

Sellaisten nerojen kuin Isaac Newtonin ja Albert Ein­steinin ansiosta nykyään tiedetään, miten painovoima vaikuttaa esimerkiksi Maan ja raketin välillä ja miten se saa planeetat kiertämään emotähtiään.

Vielä ei kuitenkaan ole pystytty selvittämään, miten se toimii atomitasolla. Jos siitä päästään perille, saatetaan saada ”käyttö­ohje” koko universumille – aina pienimmästä alkeishiukkasesta suurimpiin galakseihin.

Kivi ja vesi kaipaavat takaisin Maahan

Vuoden 1600 vaiheilla italialainen Galileo Galilei kiipesi torniin ja pudotti sieltä kaksi metallikuulaa maahan. Siitä alkoi painovoiman tieteellinen tutkimus.

Galilei heitti reilusti epäilyksen siemeniä siihen vakiintuneeseen maailmankuvaan, joka oli muotoutunut jo noin 350 vuotta ennen ajanlaskumme alkua.

Tuolloin kreikkalainen filosofi Aristoteles päätteli, että kappaleiden putoamiselle kohti maanpintaa täytyy olla syy. Aristoteleen silmin nähtynä syy oli itsestäänselvä: kappaleet putoavat kohti Maata, koska ne hakeutuvat paikkaan, josta ne alun perin ovat lähtöisin.

Koska kivi on peräisin Maasta, se etsii pudotessaan lähtöpaikkaansa eli se putoaa kohti Maata. Samoin vesi, jonka koti on Maassa. Tuli ja ilma sen sijaan eivät ole Maasta lähtöisin, ja siksi ne Aristoteleen mukaan nousevat ylöspäin.

Aristoteles oli lisäksi varma siitä, että mitä raskaampi kappale on, sitä kiireemmin se pyrkii palaamaan lähtökohtaansa ja yhdistymään oikeaan elementtiinsä – lyhyesti sanottuna siis raskaammat kappaleet putoavat nopeammin kuin kevyet.

Aristoteleen teoria vaikutti niin todelta, että se kyseenalaistettiin vasta lähes kaksituhatta vuotta myöhemmin. Tässä kohtaa Galilei astui kuvaan.

Pisan yliopiston professorit pitivät Galileo Galileita äärimmäisen lahjakkaana mutta myös lähes sietämättömän omapäisenä opiskelijana.

Hän epäili kaikkea. Vuonna 1581 hän oli alkanut 17-vuotiaana opiskella lääketiedettä, mutta oikeastaan häntä kiinnostivat enemmän matematiikka ja mekaniikka.

Joka kerta, kun hänen opettajansa puhuivat Aristoteleen opeista, Galilei esitti vastaväitteitä.

Galilei kieltäytyi hyväksymästä sitä, että kappaleen paino määräisi sen putoamisnopeuden.

Tyhjiössä, missä ilmanvastuksella ei ole merkitystä, jokainen kappale putoaa täsmälleen samalla nopeudella. Galilei siis väitti, että kivi ei putoa höyhentä nopeammin.

Vuoden 1600 tienoilla Galilei päätti todistaa teoriansa käytännössä. Hän raahasi raskaan ja kevyen metallikuulan tornin – myytin mukaan Pisan kaltevan tornin – huipulle tehdäkseen kokeen.

Satojen uteliaiden kerrotaan kokoontuneen tornin juurelle katsomaan, miten uppiniskainen Galilei tekisi itsestään naurunalaisen.

Raskas ja kevyt putosivat samaa vauhtia

Katselijat seurasivat herkeämättä uhkarohkeaa tiedemiestä tämän päästäessä käsistään kaksi metallikuulaa, jotka saivat pudota vapaasti tornin huipulta.

Ihmisjoukossa kävi kohahdus, kun raskas ja kevyt kuula odotusten vastaisesti tömähtivät maahan täsmälleen yhtä aikaa ja todistivat näin, että Galilei oli täysin oikeassa.

Metallikuulakokeellaan ja monilla vastaavilla näytöksillään Galilei veti maton vakiintuneiden oppien kannattajien alta. Hän todisti yhä uudelleen, että kaikki kappaleet putoavat painovoiman vaikutuksesta yhtä nopeasti, olipa niiden massa sitten mikä tahansa.

Jos Galilei olisi elänyt vielä lähes 400 vuotta myöhemmin, hän olisi varmasti ollut riemuissaan kokeesta, jonka yhdysvaltalainen Apollo 15 -astronautti David Scott teki kuulennolla elokuussa 1971.

Muutama tunti ennen lähtöä Kuusta Scott otti taskustaan haukan höyhenen ja antoi kameroiden käydessä 30 grammaa painavan höyhenen ja 1,3 kiloa painavan vasaran pudota samalta korkeudelta tyhjiön läpi kohti Kuun pintaa ikään kuin kunnianosoituksena Galileille.

Jo ammoin kuolleen italialaisen väitteen mukaisesti höyhen ja vasara päätyivät kuupölyyn aivan samanaikaisesti.

”Mitäs olette mieltä tästä? Tämä osoittaa, että Galileo teki havainnoistaan oikeat päätelmät”, totesi Scott iloisena ollessaan lähes 400 000 kilometrin päässä Maasta.

Samoihin aikoihin kun Galilei keskittyi kappaleiden vapaata putoamista koskeviin kokeiluihin, saksalainen tähtitieteilijä Johannes Kepler teki yllättävän havainnon.

Tarkkailtuaan vuosikausia planeettojen sijaintia taivaankannella hän joutui toteamaan, että planeettojen kiertoradat olivat elliptisiä eivätkä täydellisiä ympyröitä kuten oppineet siihen asti olivat uskoneet.

Kepler muotoili useita lakeja siitä, miten planeetat liikkuivat Auringon ympäri, mutta siihen hänellä ei ollut selitystä, miksi kiertoradat olivat juuri sellaisia kuin ne olivat.

Newtonin omenapuun siemeniä avaruuteen

Tuskin kukaan muu olisi erityisemmin kiinnittänyt huomiota siihen, että kypsä hedelmä putoaa puusta, mutta 23-vuotias Isaac Newton oli epätavallisen lahjakas nuori mies.

Euroopassa riehuvan ruton vuoksi hän oli paennut opiskelukaupungistaan Cambridgesta maaseudulle. Eräänä loppukesän päivänä vuonna 1666 hän istui lapsuudenkotinsa puutarhassa ja joi teetä omenapuun varjossa antaen ajatustensa harhailla eri sfääreissä. Yhtäkkiä hänen jalkojensa juureen tipahti omena.

Sinänsä varsin tavanomainen tapahtuma sai Newtonin pohtimaan: Miksi omenat putoavat aina kohti­suoraan alas? Miksi ne eivät nouse ylös tai liiku sivusuunnassa? Hän ounasteli, että asiaan täytyi liittyä jonkinlainen vetovoima.

Maa veti puoleensa omenaa ja muita sen lähellä olevia kappaleita, ja ehkäpä tämä vetovoima ulottui kauemmaskin – jopa Kuuhun ja ulompaan avaruuteen asti.

Tällä havainnolla oli kauaskantoisia seurauksia, ja se askarrutti Newtonin ajatuksia öin ja päivin seuraavien vuosien ajan.

© Marie Wengler

Newton oli lapsesta asti hämmästyttänyt läheisiään nerokkailla ideoillaan.

Pikkupoikana hän oli keksinyt pienen myllyn, jota pyöritti hiiri, hän oli rakentanut näppäriä kelloja, jotka mittasivat aikaa veden avulla, ja vain tarkastelemalla omaa varjoaan hän saattoi päiväsaikaan määrittää tarkan kellonajan.

Jos Newton olisi vielä pystynyt näkemään tulevaisuuteen, hän olisi tiennyt, että juuri siitä omenapuusta, joka loppukesällä 1666 tipautti yhden hedelmistään hänen lapsuuskotinsa Wools­thorpe Manorin puutarhaan, tuli aikanaan kuuluisa nähtävyys nimellä The Gravity Tree, painovoimapuu.

Hän olisi myös tiennyt, että kourallinen saman sitkeän omenapuun siemeniä nousi eräänä joulukuun päivänä 2015 ilmaan raketissa ja pääsi siten irti sen voiman vaikutuksesta, joka kerran oli saanut omenan putoamaan Newtonin jalkoihin.

Siemenet pääsivät osaksi Kansainvälisellä avaruus­asemalla ISS:llä tehtävää koetta, missä Newtonin maanmies astronautti Tim Peake tutki, miten avaruuden olosuhteet vaikuttivat niiden kasvuun.

Massat vetävät toisiaan puoleensa

Pudonneen omenan inspiroimana Newton keksi yhdistää toisiinsa Keplerin lait planeettojen liikkeistä ja Galilein putoamislait.

Newton päätteli, että niiden voimien, jotka vallitsevat Maassa, täytyy vallita myös universumissa. Omenan puusta pudottavan voiman täytyy olla aivan sama kuin se, joka pitää Kuun Maata kiertävällä radalla ja planeetat Auringon kiertoradoilla.

Ja syy siihen, että planeetat eivät putoa Aurinkoon, on se, että ne liikkuvat juuri sillä nopeudella, joka pitää ne kiertoradalla.

Vuonna 1687 Newton julkisti uraauurtavan teorian painovoimalaista mestariteoksessaan Principia, joka sittemmin tuli tunnetuksi yhtenä kaikkien aikojen tärkeimmistä tiedejulkaisuista.

Siinä Newton muotoili paitsi painovoimaa koskevan matemaattisen teorian myös kolme lakia, jotka kuvaavat kappaleiden liikkeitä.

Newtonin mukaan painovoima on kahden kappaleen välinen voima. Kaikki kappaleet, joilla on painoa, vetävät muita puoleensa.

Vetovoiman suuruus riippuu kappaleiden massasta ja niiden välisestä etäisyydestä. Näin kuului teoria, jonka Newton väitti pätevän kaikkiin kappaleisiin koko maailmankaikkeudessa ja jonka hän siksi nimitti yleiseksi painovoimalaiksi.

Newtonin yhtälöiden ansiosta voitiin nyt ensi kertaa laskea matemaattisesti erittäin tarkasti planeettojen radat Aurinkokunnassa ja Kuun kiertorata Maan ympäri. Newtonilla oli selitys jopa vuoro­veteen ja Maan muotoon.

Vuorovesi-ilmiön aiheutti Newtonin mukaan Kuun ja Auringon vetovoima, ja hän selvitti teoreettisesti, että maapallon litteys napojen kohdalla johtui Maan pyörimisestä oman akselinsa ympäri.

Jälkimmäisen väittämän ovat sittemmin todistaneet oikeaksi lukuisat tutka- ja satelliittimittaukset sekä avaruudesta otetut kuvat.

Myös Newtonin laskelmat planeettojen ja komeettojen radoista ovat pitäneet pintansa vuosisatoja.

Newtonin yhtälöiden avulla voidaan laskea taivaankappaleiden liikkeet ajassa tuhansia vuosia eteen- ja taaksepäin sekä arvioida niin menneiden kuin tulevienkin auringonpimennysten ajankohdat minuuttien tarkkuudella.

Newtonin painovoimalaki selittää myös sen, miksi Galilein kaksi kuulaa putosivat yhtä nopeasti, vaikka toinen oli toista painavampi.

Newtonin yhtälöistä ilmenee, että se voima, jonka Maa kohdistaa raskaaseen kuulaan, on suurempi kuin kevyeen kohdistuva. Sen sijaan raskaan kuulan siirtämiseen tarvitaan enemmän voimaa kuin kevyen, ja nämä kaksi suuretta kumoavat toisensa.

Tuntematon planeetta horjutti Uranusta

Newtonin teorian mukaan painovoima virtaa koko universumin läpi, ja juuri se oletus oli vaikea pala nieltäväksi hänen aikansa oppineille.

Heidän mielestään vaikutti täysin luonnonvastaiselta, että puoleensavetävät voimat voivat vaikuttaa miljoonien kilometrien päästä avaruuden halki aina Auringosta Maahan asti.

Newtonia syytettiin jopa pimeyden voimien kanssa toimimisesta, mutta vuonna 1846 epäilyt hälvenivät kerralla.

Aiemmin kaikki planeetat oli löydetty sattumalta, mutta silloin tähti­tieteilijät John Couch Adams ja Urbain Le Verrier ennustivat toisistaan riippumatta pelkästään Newtonin teorioiden pohjalta siihen asti tuntemattoman planeetan olemassaolon.

Kumpikin oli havainnut Uranuksen kiertoradassa epäsäännöllisyyksiä, joiden heidän mielestään täytyi johtua Uranuksen radan ulkopuolella kiertävän planeetan painovoimavaikutuksesta.

Analyysi osoittautui oikeaksi: juuri siinä kohdassa, jonka tähtitieteilijät olivat ennustaneet paperilla ja kynällä laskien, saksalainen Johann Galle havaitsi vuonna 1846 kiikarillaan planeetan, joka sai nimen Neptunus.

© Marie Wengler

Vaikka Isaac Newton saattoi ylpeillä keksineensä painovoiman olemassaolon, hän ei kuvitellutkaan ymmärtäneensä sen luonnetta – hän ei ollut selittänyt sen vaikutustapaa, hän oli vain pukenut sen yhtälöiksi.

”Se, että kappale voi vaikuttaa toiseen kappaleeseen matkan päästä tyhjiön läpi niin, ettei välissä ole mitään, jonka kautta vaikutus ja voima siirtyvät toisesta kappaleesta toiseen, on niin käsittämätöntä, ettei mielestäni kukaan ihminen, joka pystyy pohtimaan filosofisia asioita, voisi koskaan keksiä sellaista”, Newton totesi havainnostaan kirjeessään tuttavalle 1690-luvulla.

Näin Newton siirsi painovoiman olemuksen selvitys­työn jälkipolville. Hänen seuraajakseen tällä saralla tuli saksalainen Albert Einstein, joka 1900-luvun alussa työskenteli patenttivirkailijana Bernissä Sveitsissä.

Olemmeko Maassa vai avaruusaluksessa?

Avaruus kaareutuu, väitti mies, jolla oli hurjasti sojottava tukka ja eläväiset silmät – ja Merkurius-planeetta todisti, että Einstein oli oikeassa uraauurtavassa havainnossaan.

1800-luvun puolivälistä alkaen ymmärrettiin, että Newtonin painovoimalaki ei selittänyt Merkuriuksen Aurinkoa kiertävää rataa.

Sen elliptinen kiertorata nimittäin siirtyy hieman joka kierroksella, ja se sotii Newtonin oppia vastaan. Havainto tuotti fyysikoille pään­vaivaa, ja siksi alettiin innokkaasti etsiä tuntematonta planeettaa, joka vaikuttaa Merkuriuksen kiertoon.

Sinnikkäistä yrityksistä huolimatta planeettaa ei löydetty. Siihen olikin hyvä syy – planeettaa ei ole olemassa.

Vuonna 1905 nuori konttoristi Albert Einstein esitteli suppean suhteellisuusteoriansa. Sen mukaan aika ja etäisyys ovat suhteellisia suureita, jotka riippuvat siitä, miten nopeasti havainnoija liikkuu.

Avaruutta ja aikaa ei voida käsittää erillisinä ilmiöinä, vaan yhtenä aika­avaruutena.

Suppea suhteellisuusteoria selittää suuren osan maailmankaikkeudesta, mutta ei painovoimaa.

Istuessaan patenttitoimistossa ja tuijottaessaan ulos ikkunasta eräänä syyspäivänä vuonna 1907 Albert Ein­stein sai idean, jota hän sittemmin kuvasi elämänsä onnekkaimmaksi.

Hänelle pälkähti päähän, että jos mies putoaa katolta, hän ei huomaa painovoimaa vapaassa putoamisessa vaan tuntee itsensä painottomaksi.

Hän ei havaitse vauhtinsa kiihtyvän, koska jos hän pudottaa vaikkapa vasaran taskustaan, se kiihtyy hänen vierellään täsmälleen samaa vauhtia.

Yhtäkkiä Einstein tajusi, että painovoiman ja kiihtyvyyden välillä täytyy olla yhteys. On mahdotonta laatia koetta, joka ratkaisee, onko ihminen Maan pinnalla vai avaruusaluksessa, jonka kiihtyvyys on 9,8 m/s2.

Se on nimittäin kiihtyvyys, jonka Maan painovoima antaa Maan päällä vapaasti putoaville kappaleille eli niin sanottu putoamiskiihtyvyys.

Kiihtyvyys ja painovoima ovat siis käytännössä sama asia. Havainto johdatti Einsteinin kehittämään uuden mullistavan teorian, yleisen suhteellisuusteorian, jonka hän esitteli vuonna 1915.

Suppean suhteellisuusteorian mukaan nopeuden erot saavat avaruuden ja ajan muuttumaan.

Kiihtyvyys on nopeuden muutosta, ja koska kiihtyvyys ja painovoima ovat periaatteessa sama asia, on selvää, että aika-avaruus muuttuu kaikkien massallisten kappaleiden ympärillä.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa Ein­stein esitti, että painovoima on yksinkertaisesti aika-avaruuden kaareutumista. Mitä raskaampi kappale on, sitä enemmän aika-avaruus sen ympärillä kaareutuu.

Aika-avaruutta voidaan verrata pingotettuun kumialustaan, jolla esimerkiksi Aurinko lepää kuin raskas rautakuula. Kuulan paino painaa kumialustaa alas eräänlaiseksi suppiloksi, ja kun kevyempi kuula, kuten Maa, vierii alustalla, se joutuu väkisin muuttamaan suuntaansa.

Auringonpimennys pani Einsteinin testiin

Siinä missä Newton oli ymmärtänyt painovoiman arvoitukselliseksi kahden kappaleen väliseksi voimaksi, Ein­stein väitti nyt yleisessä suhteellisuusteoriassaan, että painovoima on itse avaruuden ominaisuus – ja uraauurtavalla teoriallaan hän pystyi selittämään vanhan mysteerin Merkuriuksen oudosta kiertoradan muutoksesta.

Merkurius pysyy Auringon kiertoradalla siksi, että Auringon vahva painovoimakenttä muodostaa avaruuteen maljamaisen kaareuman, jossa pieni planeetta pyörii kuin kuula ruletissa. Siksi rata muuttaa joka kierroksella vähän kulmaansa suhteessa Aurinkoon.

Merkurius kiertää planeetoista lähinnä Aurinkoa, ja siksi siihen kohdistuu vahvin painovoima. Niin voimakkaassa kentässä Newtonin painovoimalaki ei enää päde.

Ratkaiseva koetus suhteellisuusteorialle oli täydellinen auringonpimennys 1919. Einstein oli rohkeasti ennustanut, että läheltä Aurinkoa kulkeva kaukaisen tähden valo taittuisi Auringon aiheuttaman avaruuden kaareutumisen vuoksi. Nyt väite joutui tulikokeeseen.

© Marie Wengler

Auringonpimennyksen aikana 29. toukokuuta 1919 brittiläinen tähtitieteilijä Arthur Eddington otti kuvia tähdestä Auringon viereltä, ja kuninkaallisten tiedeseurojen kokouksessa Lontoossa 6. marraskuuta samana vuonna jännitys lopulta laukesi:

”Tutkittuani valokuvia olen valmis sanomaan, ettei ole pienintäkään epäilystä siitä, että ne eivät vahvistaisi Einsteinin ennustuksia todeksi”, tähtitieteilijä Frank Dyson totesi.

Aurinko oli todellakin taivuttanut tähdestä tulevaa valoa. Siten supertähti Einstein oli suistanut Newtonin valtaistuimelta yleisellä suhteellisuusteoriallaan, joka seuraavina päivinä nousi otsikoihin ympäri maailman.

”Vallankumous tieteessä. Uusi teoria maailmankaikkeudesta. Newtonin opit on kumottu”, ilmoitti lontoolainen The Times etusivullaan.

”Valo teki mutkan ­taivaalla”, kertoi The New York Times ja lisäsi: ”Tiedemaailma on lähes poissa tolaltaan pimennys­havaintojen vuoksi. Einsteinin teorialle riemuvoitto.”

Satelliitti mittasi Maan vaikutusta

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria on nykyään paras ehdokas painovoimateoriaksi. Newtonin painovoimalaki toimii silti yhä loistavasti, kun esimerkiksi lasketaan rakettien ratoja laukaistaessa niitä Maasta, missä avaruuden kaareutuminen on minimaalista. Einstein arveli itse, ettei Maan suhteellisen heikon painovoiman vaikutusta voida mitata avaruudessa.

Vuonna 2011 Nasan tutkijat kuitenkin ilmoittivat kuin kaikuna vuodelta 1919, että Einsteinin teoria piti kutinsa myös tässä.

Satelliitti Gravity Probe B oli testannut Einsteinin teorioita kiertoradalla 640 kilometrin korkeudessa Maan pinnasta käyttämällä apuna neljää ultratarkkaa gyro­skooppia eli laitetta, joilla mitataan kappaleen asentoa.

Mittauksissa seurattiin gyroskooppien pyörimisakseleita luotaimessa, jonka teleskooppi oli suunnattu tiettyyn tähteen, IM Pegasiin.

Kun suunta kohti tähteä oli kiinteä, magneettiset kvantti-ilmaisimet pystyivät mittaamaan gyroskooppien pyörimisakselien pienet muutokset.

Ein­steinin teorian mukaan Gravity Probe B:n gyroskooppien pyörimisakselien olisi pitänyt vähin erin muuttua Maan massan ja pyörimisliikkeen vuoksi, ja kun mittaustuloksia tutkittiin, gyroskooppien suuntauksessa löytyikin kulman muutos.

Mittaukset paljastivat lopullisesti, että Maan painovoimakenttä kaareuttaa avaruutta samalla tavoin kuin pallo painaa trampoliinin kumipintaan kuopan.

”Tällä käänteentekevällä kokeella olemme testanneet Ein­steinin universumia, ja Einstein pitää pintansa”, totesi yksi tutkijoista, Francis Everitt Stanfordin yliopistosta, tiedotustilaisuudessa 4. toukokuuta 2011.

Viisi vuotta myöhemmin, helmikuussa 2016, Einsteinin idea aika-avaruuden kaareutumisesta vahvistui vielä kerran.

Yhdysvaltalaisen Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory -laitoksen tutkijat ilmoittivat mullistavan uutisen: he olivat havainneet niin sanottuja gravitaatioaaltoja, jotka vyöryvät kaikkeuden läpi ja leviävät kuin renkaat vedessä.

Aika-avaruuden väreily oli peräisin kahdesta mustasta aukosta, jotka olivat törmänneet toisiinsa. Täsmälleen Einsteinin ennustuksen mukaan tapahtuma oli synnyttänyt gravitaatioaaltoja.

Välittääkö painovoimaa hiukkanen?

Vaikka lukuisat tähtitieteen havainnot ovat vahvistaneet Einsteinin suhteellisuusteorian oikeaksi, tutkijoilla on yhä vaikeuksia selittää, miten painovoima toimii. Tiedetään, että painovoima on olemassa, koska avaruus kaareutuu.

Siihen ei kuitenkaan ole keksitty vastausta, miten tämä voima välittyy eli miten massat vetävät toisiaan puoleensa.

Tämänhetkisen parhaan ehdotuksen mukaan painovoimaa välittää erityinen – toistaiseksi vasta oletettu – hiukkanen, niin sanottu gravitoni. Oletusta ei suinkaan ole napattu tyhjästä, sillä myös muita luonnon perusvoimia välittää tietty hiukkanen.

Painovoima on yksi neljästä luonnon perusvoimasta, jotka hallitsevat maailmaamme.

Siinä missä atomit ovat universumin rakennuskiviä, luonnonvoimat ovat ne liima ja laasti, jotka paitsi pitävät atomit koossa myös kertovat aineelle, miten sen tulee käyttäytyä. Kaksi perusvoimista, painovoima ja sähkömagneettinen voima, ulottuvat äärettömiin.

Kaikki universumin massat vetävät toisiaan puoleensa painovoiman välityksellä, ja sähkömagneettinen voima näkyy kaukaisista galakseista saakka valona.

Kaksi muuta perusvoimaa, vahva ja heikko ydinvoima, vaikuttavat vain atomeissa, joissa vahva ydinvoima pitää atomiytimet koossa ja heikko taas vastaa radioaktiivisesta hajoamisesta.

Neljästä perusvoimasta juuri painovoima tunnetaan huonoimmin. Se voi vaikuttaa oudolta sikäli, että sen vaikutus toisaalta havaitaan kaikkialla. Ongelmana on kuitenkin se, että painovoima on paljon heikompi kuin muut perusvoimat – jo pieni jääkaappimagneetti voittaa helposti Maan painovoiman ja nostaa neulan lattialta.

© Marie Wengler

Fyysikot ovat kokeellisesti todistaneet niin vahvaa ja heikkoa ydinvoimaa kuin sähkömagneettista voimaakin välittävien hiukkasten olemassaolon. Voimien välitys tapahtuu pieninä energiapakkauksina, joita fyysikot kutsuvat kvanteiksi.

Tunnetuin esimerkki ovat valo­kvantit, fotonit, jotka välittävät sähkömagneettista voimaa. Tutkijat pohtivatkin, miksi se, mikä pätee kolmeen muuhun perusvoimaan, ei pätisi myös painovoimaan.

Tuntuipa painovoimahiukkasen olemassaolo sitten kuinka loogiselta tahansa, toistaiseksi mikään fyysikoiden yritys löytää sitä ei ole tuottanut tulosta.

Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä Sveitsissä asiaa tutkitaan sinnikkäästi ja toivotaan, että jossain vaiheessa gravitonin olemassaolo pystytään havaitsemaan maailman suurimmassa hiukkaskiihdyttimessä, 27 kilo­metriä pitkässä LHC:ssä (Large Hadron Collider) tehtävissä kokeissa.

Kiihdyttimessä protoneja ammutaan toisiaan kohti lähes valon nopeudella, ja kun ne törmäävät, syntyy hiukkasia, joita ei tavata normaalioloissa.

Voima on näkymättömissä ulottuvuuksissa

Jos jonain päivänä onnistutaan vahvistamaan gravitonin olemassaolo, fyysikot ovat jättiharppauksen lähempänä yhtä tieteen suurista tavoitteista: kaiken teoriaa.

Teorian pitäisi selittää universumista niin sen suurimmat kuin pienimmätkin osat – tähdistä ja galakseista atomeihin ja molekyyleihin.

Samalla sen pitäisi ratkaista kaikista arvoituksista suurin: mikä aiheutti alkuräjähdyksen, universumin rajun synnyn, noin 13,7 miljardia vuotta sitten ja mitä tapahtui heti alkuräjähdyksen jälkeen?

© Marie Wengler

Kehittäessään kaikki ilmiöt selittävää teoriaa tutkijat ovat kautta historian etsineet yksinkertaisia luonnon­lakeja, jotka kuvaavat monimutkaisen maailmamme toimintaa.

Painovoima on kuitenkin ikuinen ongelma ja ainoa neljästä perusvoimasta, jota ei voida selittää luonnonvoimia kaikkein pienimmällä, atomaarisella, tasolla kuvaavalla kvanttimekaniikalla vaan ainoastaan Einsteinin suhteellisuusteorialla.

”Fysiikassa ongelma on se, että kaikki perustuu näihin kahteen erilaiseen teoriaan, ja kun ne yhdistetään, tuloksena on hölynpölyä.”

Näin sanoi yhdysvaltalainen fyysikko Edward Witten.

Kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian yhtälöt ovat matemaattisesti mahdottomia yhdistää, mutta Wittenin johdolla on kehitetty toistaiseksi lupaavin esitys kaiken teoriaksi – teoriaksi, joka yhdistää onnistuneesti Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan.

Witten, jota on kutsuttu sukupolvensa lahjakkaimmaksi fyysikoksi, on työstänyt säieteoriaa vuodesta 1975.

Siinä pyritään yhtenäiseen käsitykseen aineesta ja luonnonvoimista, ja teorian ydin on se, että kaikki aine ja neljä perusvoimaa muodostuvat käsittämättömän pienistä, väreilevistä säikeistä, jotka ovat universumin pienimpiä rakenne­osasia.

Säikeet ovat eräänlaisia energialankoja, jotka väreilevät peräti 11 ulottuvuudessa: kolmessa tila- ja aikaulottuvuudessa sekä seitsemässä muussa, jotka ovat käpertyneet yhteen niin, että niitä ei nähdä.

Supersäieteorian mukaan painovoima ei ole heikompi kuin muut luonnonvoimat, vaikka se yhtäkkiä vaikuttaakin sellaiselta. Emme vain huomaa sen koko tehoa, koska se on levittäytynyt muihin ulottuvuuksiin.

Supersäieteoria täyttää kaikki vaatimukset, mitä fyysikoilla on kauan kaivatun kaiken teorian suhteen, mutta sitä ei mitenkään ole pystytty näyttämään toteen.

Teoria on ainoastaan matemaattinen malli ja silkkaa ajatusmyllyn tuotetta. Säikeet ja monet lisäulottuvuudet ovat niin pieniä, ettei niitä ihmissilmin voi nähdä. Siten teoriaa ei pystytä suoraan osoittamaan todeksi – ellei sitten LHC-kiihdyttimessä tapahdu ihmettä.

Jos hiukkaskiihdyttimen ilmaisimet äkkiä havaitsevat aiemmin tuntemattoman hiukkasen, kyseessä saattaa olla pitkään etsitty gravitoni, joka jättää itsestään merkkejä ennen kuin se katoaa näkymättömiin ulottuvuuksiin.

Jos näin todella tapahtuu, riemuitsevilla tutkijoilla on varmastikin – painovoimasta huolimatta – vaikeuksia pitää molemmat jalat tiukasti Maan pinnalla.

Lue Ajatusmylly-sarjan seuraava artikkeli

Kuvittelemme, että meillä on vapaa tahto ja voimme toimia miten haluamme. Aivovauriopotilaiden tutkimukset ovat kuitenkin paljastaneet, ettei ihmisen minuus ole ollenkaan niin yksiselitteinen asia.

Lue myös:

Painovoima
Fysiikka

Painovoima pitää kaiken koossa

3 minuuttia
Suhteellisuusteoria

Nyt fyysikot voivat löytää mystiset madonreiät

3 minuuttia
Fysiikka

LUETTELO: 8 keksintöä, joista voit kiittää Einsteinia

5 minuuttia

Kirjaudu sisään

Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
Näytä Piilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!

Nollaa salasana

Syötä sähköpostiosoitteesi, niin saat ohjeet salasanasi nollaamiseksi.
Tarkista sähköpostiosoite

Tarkista sähköpostisi

Olemme lähettäneet sinulle sähköpostia osoitteeseen . Siinä on ohjeet, joiden avulla voit nollata salasanasi. Jos et ole saanut sähköpostia, tarkista, että se ei ole joutunut roskapostin joukkoon.

Anna uusi salasana.

Nyt sinun pitää antaa uusi salana. Salasanassa pitää olla vähintään 6 merkkiä. Kun olet luonut uuden sanasanan, sinua pyydetään kirjautumaan sisään palveluun.

Salasana vaaditaan
Näytä Piilota