Tämän artikkelin on kirjoittanut David Lyth Lancasterin yliopistosta, ja sen on alun perin julkaissut The Conversation.

Painovoima sitoo kehomme planeetta Maahan, mutta se ei määrittele kohoavan ihmismielen rajoja. Marraskuussa 1915 – tasan sata vuotta sitten – tämä todistettiin todeksi, kun Albert Einstein esitti Preussin tiedeakatemiassa pitämässään luentosarjassa teorian, joka mullisti käsityksemme painovoimasta – ja itse fysiikasta. Kahden vuosisadan ajan Newtonin hämmästyttävän yksinkertainen ja tyylikäs teoria universaalista gravitaatiosta oli näyttänyt selittävän asian hyvin. Mutta kuten fysiikassa yhä useammin käy, yksinkertainen ei enää riitä.

Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian lähtökohtana oli hänen vuonna 1905 julkaisemansa erityinen suhteellisuusteoria. Siinä selitettiin, miten fysiikan lait voidaan muotoilla painovoiman puuttuessa. Molempien teorioiden keskiössä on kuvaus avaruudesta ja ajasta, joka poikkeaa siitä, mitä maalaisjärki antaisi ymmärtää.

Teorioissa selitetään, miten tulkitaan liikettä eri paikkojen välillä, jotka liikkuvat vakionopeudella toisiinsa nähden – eikä suhteessa jonkinlaiseen absoluuttiseen eetteriin (kuten Newton oli olettanut). Vaikka fysiikan lait ovat universaalit, sanotaan, eri katsojat näkevät tapahtumien ajoituksen eri tavalla riippuen siitä, kuinka nopeasti he matkustavat. Tapahtuma, joka Maasta käsin katsottuna näyttäisi vievän 1000 vuotta, voi suurella nopeudella matkustavasta avaruusaluksesta katsottuna näyttää kestävän vain sekunnin.

Einsteinin teorioiden ytimessä on se, että valon nopeus on riippumaton nopeutta mittaavan tarkkailijan liikkeestä. Tämä on outoa, koska maalaisjärki antaa ymmärtää, että jos istut autossasi junaradan varrella, ohi kulkeva juna näyttää liikkuvan paljon nopeammin kuin jos seuraisit sitä samaan suuntaan.

Jos sen sijaan istut ja katsot valonsäteen kulkevan ohi, se liikkuisi yhtä nopeasti riippumatta siitä, seurasitko sitä vai et – selvä osoitus siitä, että maalaisjärjessä on jotain vikaa.

Tästä teoriasta seuraa, että meidän on luovuttava ajatuksesta universaalista ajasta ja hyväksyttävä se, että kellon rekisteröimä aika riippuu sen liikeradasta sen liikkuessa maailmankaikkeudessa. Tämä tarkoittaa myös sitä, että aika kuluu hitaammin, kun kuljetaan nopeasti, eli avaruuteen matkalla oleva kaksonen vanhenee hitaammin kuin sisaruksensa Maassa.

Tämä “kaksosparadoksi” saattaa vaikuttaa matemaattiselta omituisuudelta, mutta se itse asiassa todennettiin kokeellisesti vuonna 1971 kokeilussa, jossa otettiin atomikelloja mukaan kaupallisille lennoille.

Erityinen suhteellisuusteoria toimii vain inertia-avaruuskehysten liikkuessa toistensa suhteen, jos ne liikkuvat vakionopeudella – se ei voi kuvata sitä, mitä tapahtuu silloin, kun kehykset kiihtyvät. Einstein pohti, miten sitä voitaisiin laajentaa niin, että se sisältäisi tällaisen kiihtyvyyden ja sallisi painovoiman, joka aiheuttaa kiihtyvyyttä ja on loppujen lopuksi kaikkialla.

Hän tajusi, että painovoiman vaikutus häviää, jos sitä ei yritetä voittaa. Hän kuvitteli ihmisiä hississä, jonka vaijeri oli katkennut vapaassa pudotuksessa, ja laski, että koska esineet leijuisivat joko liikkumattomina tai vakionopeudella, ihmiset eivät tuntisi painovoimaa. Nykyään tiedämme kuitenkin, että tämä on totta, koska olemme itse nähneet sen kansainvälisellä avaruusasemalla olevilla ihmisillä. Kummassakaan tapauksessa ei ole painovoiman vaikutusta kumoavia voimia, eivätkä ihmiset koe painovoimaa.

Kaareva avaruusaika. Mopic

Einstein oivalsi myös, että painovoiman vaikutus on sama kuin kiihtyvyyden vaikutus; suurella nopeudella liikkeelle lähteminen työntää meitä taaksepäin, aivan kuin painovoima vetäisi meitä. Nämä kaksi vihjettä johtivat Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Siinä missä Newton oli nähnyt painovoiman kappaleiden välillä etenevänä voimana, Einstein kuvasi sen pseudovoimaksi, joka koetaan, koska koko avaruuden ja ajan toisiinsa kietoutunut kudos taipuu massiivisen kappaleen ympärillä.

Einstein itse sanoi, että hänen tiensä oli kaikkea muuta kuin helppo. Hän kirjoitti, että “koko elämäni aikana en ole ponnistellut läheskään näin kovasti, ja minuun on iskostunut suuri kunnioitus matematiikkaa kohtaan, jonka hienojakoisempaa osaa olin yksinkertaisuudessani pitänyt tähän asti pelkkänä ylellisyytenä”.

Todisteet

Heti kun Einstein löysi yleisen suhteellisuusteorian, hän tajusi, että se selittää sen, että Newtonin teoria ei kyennyt selittämään Merkuriuksen kiertorataa. Kiertorata ei ole aivan ympyränmuotoinen, mikä tarkoittaa, että on olemassa piste, jossa se on lähimpänä Aurinkoa. Newtonin teoria ennustaa, että tämä piste on kiinteä, mutta havainnot osoittavat, että se pyörii hitaasti auringon ympäri, ja Einstein havaitsi, että yleinen suhteellisuusteoria kuvaa kiertoa oikein.

“Olin itseni vieressä iloisesta innostuksesta”, hän kirjoitti muutamaa kuukautta myöhemmin. Sittemmin yleinen suhteellisuusteoria on läpäissyt monet havaintotestit kirkkaasti.

Käytät yleistä suhteellisuusteoriaa aina, kun vedotat GPS-järjestelmään selvittääksesi sijaintisi Maan pinnalla. Järjestelmä lähettää radiosignaaleja 24 satelliitista, ja puhelimesi tai autosi GPS-vastaanotin analysoi kolme tai useampia näistä signaaleista määrittääkseen sijaintisi yleisen suhteellisuusteorian avulla. Jos olisit käyttänyt Newtonin teoriaa, GPS-järjestelmä olisi antanut väärän sijainnin.

Mutta vaikka yleinen suhteellisuusteoria toimii hyvin fysikaalisen maailman kuvaamiseen suurissa mittakaavoissa, kvanttimekaniikka on osoittautunut menestyksekkäimmäksi teoriaksi, kun on kyse pienistä hiukkasista, kuten niistä, joista atomi koostuu. Suhteellisuusteorioiden tavoin kvanttimekaniikka on intuition vastainen. Se, voidaanko nämä kaksi yhdistää, jää nähtäväksi, mutta on epätodennäköistä, että se palauttaisi terveen järjen fysiikkaan.

David Lyth, fysiikan emeritusprofessori, Lancasterin yliopisto.

Tämä artikkeli julkaistiin alun perin The Conversationissa. Lue alkuperäinen artikkeli.