Tänä vuonna juhlitaan Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa

Albert Einsteinin kuvaaja oli Doris Ulman.
Kuva Wikimedia Commons.

Tänä vuona tulee kuluneeksi tasan sata vuotta Einstein yleisen suhteellisuusteorian julkaisemisesta. Yleinen suhteellisuusteoria on sen verran merkittävä tieteellinen saavutus, jonka julkaisua ja kehittäjää Albert Einsteinia (1879–1955) on syystäkin juhlia. 

Ironista kyllä, vaikka yleinen suhteellisuusteoria onkin yksi viime vuosisadan merkittävimmistä ja kausikantoisimmista tieteellisistä julkaisuista, Einsteinia ei milloinkaan palkittu tästä työstä Nobelilla^[1]. Nobelin hän sai vuonna 1921 ”ihmevuonna”^[2] 1905 julkaistusta pienestä tutkimuksesta, joka käsitti valosähköisen ilmiön selitystä.

Yleinen suhteellisuusteoria on gravitaatioteoria, jossa Einstein selittää gravitaationa tunnetun ilmiön alkuperäksi aika-avaruuden kaareutumisen. Teoria korvaa tai paremminkin täydentää aikaisemman, vuonna 1687 julkaistun Isaac Newtonin gravitaatioteorian. Newtonin gravitaatioteoria on toimiva arkielämässä, jossa massat ja nopeudet ovat ”ihmismittakaavaisia” mutta teoriaa ei voi käyttää silloin, kun kysymys on tähdistä, mustista aukoista ja valon nopeutta lähestyvistä nopeuksista. Silloin Einsteinin teoria on paljon tarkempi.

Parhaimmin tunnettu esimerkki Einsteinin teorian tarkkuudesta on Merkuriuksen radan perihelin kiertymisen selitys, johon Newtonin teoria ei pysty. Newtonin teoria ei myöskään selitä valon kulkureitin kaareutumista massiivisten kappaleiden läheisyydessä, vaikka Newton tutkikin valon ominaisuuksia hiukkasteorian keinoin.

Yleistä suhteellisuusteorian aika-avaruuden kaareutumista yleensä havainnollistetaan joustavalla kankaalla, joka edustaa kaikkia kolme tilaulottuvuutta. Sijoittamalla kankaan keskelle erimassaisia painoja edustamaan massiivisia tähtiä tai mustia aukkoja, saadaan kangas venymään ja kaareutumaan. Mallilla myös hyvin usein pyritään havainnollistamaan planeettojen liikeradat tähtien ympäri tai jopa valon reitin taipumisen massakeskittymän läheisyydessä.

Massat saavat aika-avaruuden kaareutumaan.
Kuva Wikimedia Commons.

Vaikka analogia on hyvin puutteellinen ja rajoittunut ilmentämään aika-avaruutta, meille useamman kuin kolmen ulottuvuuden hahmottaminen ei luonnistu. Näin ollen analogiamalli on yksi parhaimmista millä tieteellisiä ilmiöitä on voitu havainnollistaa maallikoille.

Suhteellisuusteorian ilmestymisen aikaan Einstein ajatteli maailmankaikkeuden olevan staattinen. Hänen kaavansa kuitenkin osoittivat, että maailmankaikkeuden täytyi joko laajeta tai luhistua, staattinen tila ei ollut mahdollista. Niinpä hän lisäsi kaavoihinsa kosmologisen vakion, jonka arvon sopivalla valinnalla staattinen tila mahdollistui.

Seuraavalla vuosikymmenellä (marraskuussa 1924) Edwin Hubble (1889–1953) kuitenkin pystyi osoittamaan maailmankaikkeuden laajenemisen, joten Einstein joutui muuttamaan käsitystään. Hän kertoi lisäämänsä kosmologisen vakion olleen elämänsä suurin virhe. Niinpä hän poisti kaavoistaan tämä tekijän, mutta se jouduttiin ottamaan takaisin vuonna 1998 julkaistusta tutkimuksesta johtuen, jonka mukaan maailmankaikkeus laajeni kiihtyvästi. Ilman kosmologista vakiota (ja sen edustamaa poistovoimaa) kiihtymistä ei voi tapahtua, vaan laajeneminen hidastuisi ehkäpä ikuisesti gravitaation vaikutuksesta.

Yleisen suhteellisuusteorian tultua ainakin osittain todistetuksi oikeaksi vuonna 1919 tapahtuneen auringonpimennyksen avulla, Einsteinin elämä muuttui varsin ”pyörteiseksi”. Hän muutti usein vaihtaen työpaikkojaan yliopistosta toiseen, matkusti maailmalla mm. useita kertoja Yhdysvaltoihin ja lopulta päätyi muuttamaan pysyvästi New Jerseyiin ja työskenteli Princetonin yliopistossa Euroopan poliittisen ilmapiirin kehityttyä juutalaisvastaiseksi Adolf Hitlerin noustua valtaan Saksassa 1930-luvulla.

Albert Einsteinin suppeamman suhteellisuusteoriaan sisältyvät sellaiset käsitteet kuten valonnopeuden vakioisuus tyhjiössä^[4], suhteellisuusperiaate^[5], aikadilaatio^[6] ja pituuskontraktio^[7].

Yleinen suhteellisuusteoria on suppeamman suhteellisuusteorian laajennus, jonka lisäyksiä oli mm. gravitaatio ja kosmologinen vakio. Einsteinin mukaan gravitaatio oli näennäisvoima (kts. edellä mainittu aika-avaruuden kaareutuminen), joka johtuu käytetystä koordinaatiosta. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan myös aika on paikallinen ilmiö ja se kuluu tai etenee erinopeuksilla riippuen havaitsijan liiketilasta ja tai sijaintipaikan gravitaatiokentän voimakkuudesta (jälleen aika-avaruuden kaareutumisesta).

Einsteinin myöhemmät työt liittyivät EPR-paradoksiin (jonka Niels Bohr onnistui kumoamaan), mustiin aukkoihin liittyvään Schwarzschildin ”madon reikiin” (virallisemmin Einsteinin- Rosenin siltaan) ja yrittipä hän kehittää kaiken teorian, jossa yhdistyisivät gravitaatio- ja kvanttiteoriat.

Albert Einsteiniä on luonnehdittu neroksi ja kieltämättä hän jonkin asteinen nero olikin omalla alallaan. Kaikesta päätelleen hän tunsi suurta intohimoa työtään kohtaan, joten onnistuminen monissa tutkimuksissaan oli suora seuraus tästä intohimosta. Vaikka Einstein koki elämässään ja työssään myös monia epäonnistumisia, niin niitä ei sinällään tarvitse muistella, epäonnistumisia kun tulee kaikille ja vain onnistumiset lasketaan.

Huomautukset

[1] Suhteellisuusteoria ei ollut ”keksintö” Nobel-säätiön palkintoehtojen (Alfred Nobelin testamentin) mukaisesti.

 [2] Einsteinin ”ihmevuosi” 1905 on merkittävä, sillä silloin hän julkaisi kolme merkittävää julkaisua jo mainitun valosähköisen ilmiön selityksen lisäksi. Vähintään yhtä merkittävä tutkimus oli Brownin liikkeen^[3] selitys, jolla Einstein onnistui osoittamaan myös atomien olemassa olon. Vuonna 1910 hän oli ehdokkaana Nobelin saajaksi juuri Brownin liikkeen selitysmallin keksimisestä.

Kaksi muuta merkittävää ”ihmevuoden” julkaisua oli Suppea tai erityinen (nimitys vaihtelee) suhteellisuusteoria (Annalen der Physik numero 17) sekä massan ja energian verrannollisuus(Annalen der Physik numero 18), jonka suuri yleisö tuntee kaavasta E=mc². Tutkimus on kuitenkin usein liitetty suppeaan suhteellisuusteoriaan, vaikka se oli selkeästi aivan itsenäinen vaikkakin suppeaa suhteellisuusteoriaa täydentävä teoreettinen tutkimus.

[3] Brownin liike on mikroskoopissa näkyvä hiukkasten satunnainen siksak-liike. Ilmiön pani ensimmäisenä merkille kasvitieteilijä Robert Brown vuonna 1827. Hän ei kuitenkaan löytänyt selitystä ilmiölle. Einsteinin mallin mukaan kyseisen liikkeen saa aikaan vesimolekyylien lämpöliike. Pienet hiukkaset heilahtavat paikaltaan molekyylin törmäyksen voimasta. Suurempiin hiukkasiin vastaavia törmäyksiä tapahtuu runsaammin, mutta kappaleiden joka puolelle, josta johtuen törmäysreaktiot kumoavat toisensa ja kappaleet näyttävät pysyvän paikoillaan.

[4] Valonnopeus tyhjiössä on vakio riippumatta valonlähteen ja tai havaitsijan liikenopeudesta. Väliaineessa (esimerkiksi ilma) valonnopeus ei ole vakio vaan vaihtelee väliaineen sähköisten ominaisuuksien mukaan.

[5] Suhteellisuusperiaatteen mukaan fysiikan lait ovat samat kaikissa tasaisessa liikkeessä liikkuvissa koordinaatistoissa.

[6] Aikadilaatiossa liikkuvan havaitsijan aika kulkee hitaammin kuin paikoillaan olevan havaitsijan. 

[7] Pituuskontraktiossa, josta myös käytetään nimitystä Lorentz-kontraktio, on liikesuunnassa tapahtuva kappaleiden pituuden lyheneminen, joka on suhteessa liikkuvan kappaleen nopeuden suhteesta valonnopeuteen. Valonnopeudella kappaleen pituus olisi nolla.

Kosmologiaa selkokielellä

Kari Enqvist

Ensimmäinen sekunti – silminnäkijän kertomus

WSOY 2014

ISBN 978-951-0-40730-1

Nidottu 221 sivua.

Maallikot mieltävät kosmologian osaksi tähtitiedettä. Aivan tarkkaan ottaen se ei kuulu tähtitieteen piiriin vaan on oma tieteenlajinsa, nimeltään kosmologia. Kosmologit tutkivat maailmankaikkeuden syntyä ja erityisesti sen varhaista rakennetta. Työssään tutkija tarvitsee tietoja tähtitieteen lisäksi fysiikasta ja erityisesti alkeishiukkasfysiikasta. Niinpä ei olekaan kovin suuri ihme, että suomalainen kosmologian tutkija Kari Enqvist on peruskoulutukseltaan fyysikko.

Kosmologian tutkijana Kari Enqvist on tullut tunnetuksi maailmalla paremmin kuin kotimaassaan, mutta tieteen popularisoijana hän on jo vanha tekijä. Häneltä on ilmestynyt suomeksi ainakin yksitoista kirjaa, vaikka pari näistä käsittelee enemmän filosofiaa ja uskontoa kuin fysiikkaa ja kosmologiaa.  Näiden lisäksi Enqvist on esiintynyt monissa tv-ohjelmissa ja tunnetaanpa hänet myös mielenkiintoisten esitelmien pitäjänä.

Enqvistiä on muistettu monilla palkinnoilla niin tutkijana, popularisoijana ja tieteellisen maailmankuvan puolustajana ja edistäjänä. Tunnetuin hänen saamista palkinnoista lienee Tieto-Finlandia kirjasta Olemisen porteilla vuonna 1999.

Itse kirja Ensimmäinen sekunti paneutuu selvittämään mitä tapahtui maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana. Ihmisen aikakäsityksen mukaan sekunti on lyhyt aikajana, jonka kuluessa ei ehdi kovinkaan montaa asiaa tapahtua. Tämä käsitys ei kuitenkaan vastaa sitä, mitä kosmoksessa tapahtui ensimmäisen sekunnin aikana. Hieman ja vain hieman kärjistetysti voisi sanoa, että kaikki tärkeä mitä maailmankaikkeudessa on ylipäättään tapahtunut, tapahtui ensimmäisen sekunnin aikana. Kosmologisessa mittakaavassa ensimmäisen sekunti olikin aionin mittainen, jonka kuluessa maailmankaikkeudesta tuli se mikä se on nykyisin.

Maailmankaikkeuden alku on siis tuntemattoman prosessin, syyn ja sen seurauksen aikaansaama singulariteetti, joka laajeni valonnopeudella. Kun aikaa oli kulunut singulariteetin ilmaantumisesta meidän aikakäsityksen mukaan 10^-43 sekuntia (Planckin aika) käynnistyy varsinainen alkuräjähdys (Big Bang). Ajan hetkeen 10^-35 sekuntia (Hubblen aika) mennessä gravitaatio on erkaantunut perusvuorovaikutuksista samoin kuin vahva vuorovaikutus erkaantuu sähköheikosta vuorovaikutuksesta.

Maailmankaikkeuden ensimmäinen inflaatiovaihe käynnistyy ajanhetkellä 10^-35 s. Inflaation aikana maailmankaikkeus laajeni valoa nopeammin, lämpötila laski absoluuttiseen nollapisteeseen ja materia oli kvarkki-gluoniplasmaa. Inflaatio päättyi ajanhetkellä 10^-32 sekuntia, eli se kesti tuhatkertaisesti iän, jonka maailmankaikkeus ehti olla olemassa ennen inflaation käynnistymistä.  Tämä varmasti havainnollistaa edellä kerrottua, jonka mukaan ensimmäinen sekunti oli kosmisessa mittakaavassa aionin mittainen. Inflaation päätyttyä maailmankaikkeuden koko oli kasvanut noin 10²⁸-kertaiseksi inflaatiokauden alkuun verrattuna ja ihmisen mittakaavassa koko kosmos oli noin 1 metrin halkaisijaltaan.

Inflaation jälkeinen maailmankaikkeus koki vielä kaksi erityistä ja tärkeää eepokkia ennen ensimmäisen sekunnin päättymistä. Ensimmäinen näistä oli ajanjaksolla 10^-12 – 10^-6 sekuntia ja tätä kautta kutsumme kvarkkieepokiksi. Toinen eepokki on hadronieepokki ja se vallitsi 10^-6–1 sekunnin aikavälillä. Kvarkkieepokin aikana sähkömagnetismi ja heikkovuorovaikutus erkanivat toisistaan ja hadronieepokin aikana kvarkeista syntyi protonit ja neutronit.

Kirja ensimmäinen sekunti käsittelee inflaatiota, kuumaa alkuräjähdystä, Higgsin hiukkasia ja aineen syntyä, kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, maailmankaikkeuden laajenemista ja kosmista horisonttia. Kirjan 221 sivuun on Enqvist saanut ahdettua paljon asioita ja niitä kuvaavia analogioita (vertauskuvia). Näitä vertauskuvia oli runsaasti ja ehkä ne ovat ymmärtämistä helpottavia asioita, mutta itse koin ne paikka paikoin häiritsevinä. Analogiat katkaisivat joissakin kohtaa aika pahasti ajatuksen kulun.  Tähän voisinkin hakea analogian kiireisestä maisemakonttorista, jossa työhön keskittymistä häiritsee konttorin äänet ja työntekijän puhelin. Jokaisen katkon jälkeen kestää jonkin aikaa ennen kuin työhön pääsee syventymään uudelleen.

Ensimmäinen sekunti on erittäin mielenkiintoinen kirja kaikille niille, joita kosmoksen syntyminen kiinnostaa, eikä vain syntyminen vaan myös se mitä Enqvist kertoo multiversumeista. Suosittelen kirjaa lukeville perusteellista syventymistä ja viitseliäisyyttä lukea kirja toiseen kertaan, sillä siinä on useita eri tasoja ja ne kaikki eivät välttämättä avaudu ensimmäisellä lukukerralla. Hyviä lukuhetkiä todella kiehtovan kirjan äärellä.