Kiehtova painovoima

NOIN 300 vuotta sitten Isaac Newton muodosteli teorioita painovoiman (gravitaation) luonteesta. Hän kuvitteli, että mies on heittämässä esinettä tavattoman korkean vuoren laelta. Jos esine vain pudotettaisiin, se putoaisi alaspäin maahan kuten omena.

Jos se kuitenkin heitettäisiin eteenpäin, se lentäisi kaarevaa rataa pudotessaan maahan. Silloin Newton päätteli, että jos se heitettäisiin tarpeeksi nopeasti, se joutuisi maata kiertävälle radalle.

Tämän teorioinnin perusteella yhteys painovoiman ja kuun ja planeettojen liikkeiden välillä tuli hänelle selväksi: Kuu pysyy Maata kiertävällä radallaan maan vetovoiman (gravitaation) vuoksi ja planeetat radallaan Auringon vetovoiman vuoksi.

Yleispätevä laki

Huolellisten tutkimusten jälkeen Newton laati täsmällisen matemaattisen kaavan tästä yleispätevästä laista. Yksinkertaisesti sanottuna Newtonin yhtälöiden mukaan kaikkien kappaleitten, pienten ja suurten, välillä vallitsee vetovoima, joka on riippuvainen kappaleiden massasta ja niiden välisestä etäisyydestä.

Tehtyään joitakin parannuksia painovoimaa selittäviin Newtonin peruskaavoihin tiedemiehet käyttävät niitä yhä, erityisesti suunnitellessaan sellaisia avaruushankkeita kuin avaruusluotaimen lähettämistä Halleyn komeettaa vastaan vuonna 1985. Itse asiassa englantilainen tähtitieteilijä Edmond Halley, Newtonin virkaveli, käytti Newtonin teorioita hyväkseen ennustaessaan vuoden, jolloin tuo komeetta seuraavan kerran näyttäytyisi.

Newtonin havainnot painovoimasta antoivat hänelle pilkahduksen maailmankaikkeudessa ilmenevästä järjestyksestä, hyvästä järjestyksestä, joka on älykkään suunnittelun tuotetta. Mutta hänen työnsä ei ollut missään tapauksessa lopullinen sana tästä aiheesta. Tämän vuosisadan alussa tiedemiehet alkoivat tajuta, että joiltakin osiltaan Newtonin teoriat olivat puutteellisia, jopa ristiriitaisia.

Einstein ja painovoima

Vuonna 1916 Albert Einstein esitti yleisen suhteellisuusteoriansa. Hänen hämmästyttävä keksintönsä oli, että painovoima ei ainoastaan muotoile maailmankaikkeutta, vaan myös määrää sen, millaisena näemme sen ja miten mittaamme sitä. Painovoima vaikuttaa jopa kellojen käyntinopeuteen!

Jälleen kuvaus auttaa selvittämään asioita. Kuvittele avaruuden olevan rajaton kumikalvo. Kuulan asettaminen tällaiselle joustavalle matolle saa aikaan kuopan, painanteen. Einsteinin selityksen mukaan Maa, Aurinko ja tähdet ovat kuin joustavalla matolla olevia kuulia, jotka saavat avaruuden kaartumaan. Jos vierität toisen kuulan kumikalvolle, ensimmäisen kuulan ympärillä oleva painanne saa sen kääntymään kaarevalle radalle.

Samoin Maa, planeetat ja tähdet liikkuvat pitkin kaarevia ratoja seuraten avaruudessa olevia luonnollisia ”painanteita”. Jopa valonsäde taipuu ohittaessaan läheltä maailmankaikkeudessa olevia suuria kappaleita. Sen lisäksi Einsteinin yhtälöt ennustivat, että kulkiessaan painovoimaa vastaan valo menettäisi jonkin verran energiaansa, mikä näkyisi vähäisenä värin muutoksena kohti spektrin punaista päätä. Fyysikot kutsuvat tätä ilmiötä nimellä gravitaatiopunasiirtymä.

Niinpä Einsteinin teoria paljasti uusia salaisuuksia siitä, miten painovoima vaikuttaa maailmankaikkeudessa, sen lisäksi että se selvitti Newtonin löydöistä aiheutuneita ristiriitaisuuksia.

Kiehtovia vaikutuksia

Koska painovoima kykenee vaikuttamaan siihen, miten valo kulkee, se aiheuttaa joitakin hämmästyttäviä, tähtitieteilijöiden havaitsemia ilmiöitä.

Autiomaassa matkaajille ovat pitkään olleet tuttuja kangastukset – näköharhat, jotka näyttävät maassa kimmeltävältä vedeltä. Tähtitieteilijät taas ovat valokuvanneet kosmisia ”kangastuksia”. Miten se tapahtuu?

Valo kaukaisesta kohteesta, jonka uskotaan olevan galaksin aktiivinen ydin ja jota kutsutaan kvasaariksi (engl. sanoista quasi-stellar object ’tähteä muistuttava kohde’), ohittaa matkan varrella olevia galakseja, jotka ovat maasta katsottuna näkölinjassa. Kun valo kulkee galaksien ohi, niiden vetovoima saa sen taipumaan. Valon taipuminen muodostaa yhdestä kvasaarista kaksi kuvaa tai useampiakin. Maan pinnalla oleva tarkkailija luulee valon tulleen suoraan häntä kohti ja päättelee näkevänsä enemmän kuin vain yhden kohteen.

Toinen kiehtova Einsteinin työstä syntynyt näkökohta koskee mustia aukkoja. Mitä ne ovat, ja mikä on niiden yhteys painovoimaan? Yksinkertainen koe vastaa tähän.

Heitä jokin esine ylös ilmaan. Huomaat, että se nousee tietylle korkeudelle, pysähtyy hetkellisesti ja putoaa sitten takaisin maahan. Valon kanssa on toisin. Valonsäde voi paeta Maan painovoimakentästä, koska se kulkee riittävän nopeasti.

Olettakaamme nyt, että painovoima olisi paljon vahvempi, riittävän vahva estämään jopa valoa karkaamasta. Mikään ei voisi päästä karkaamaan sellaisesta kappaleesta. Itse kappale olisi näkymätön, koska yhtään valoa ei voisi päästä pois sen painovoimakentästä eikä tulisi ulkopuolisen tarkkailijan silmiin. Sen tähden sitä sanotaan mustaksi aukoksi.

Saksalainen tähtitieteilijä Karl Schwarzschild osoitti ensimmäisenä teoreettisen mahdollisuuden mustien aukkojen olemassaoloon. Vaikka toistaiseksi ei olekaan kiistatonta todistetta siitä, että mustia aukkoja todella on olemassa maailmankaikkeudessa, tähtitieteilijät ovat tunnistaneet joukon mahdollisia ehdokkaita. Mustat aukot voivat myös olla kvasaarien salaisia voimanlähteitä.

Painovoima-aallot

Einsteinin työn perusteella voimme myös kuvata painovoiman näkymättömäksi verkoksi, joka yhdistää kaiken ja pitää maailmankaikkeuden koossa. Mitä tapahtuu, kun tähän verkkoon kosketaan?

Ajattele taas kuvausta kumikalvosta, ja oleta, että kumikalvolla olevaa esinettä tönitään yhtäkkiä edestakaisin. Kalvolla syntyvät värähtelyt häiritsevät lähellä olevia esineitä. Samaten jos jotakin tähteä ”tönäistään” rajusti, saattaa avaruuteen syntyä väreitä eli painovoima-aaltoja. Planeetoissa, tähdissä tai galakseissa, jotka joutuisivat painovoima-aaltojen tielle, avaruus itsessään tuntuisi kutistuvan ja laajenevan – kuten värähtelevä kumikalvo.

Koska näitä aaltoja ei ole vielä osoitettu olevan olemassa, mitä todisteita tiedemiehillä on siitä, että Einsteinin teoria on oikea? Yksi parhaista osoituksista tulee eräästä kaksoispulsarina tunnetusta tähtijärjestelmästä. Tämä muodostuu kahdesta neutronitähdestä, jotka kiertävät yhteistä keskusta kiertoajan ollessa noin kahdeksan tuntia.a Toinen näistä tähdistä on myös pulsari, ts. se säteilee radioimpulsseja pyöriessään kuten majakan valokeila. Pulsarin täsmällisen pyörähdysajan ansiosta tähtitieteilijät voivat kartoittaa näiden kahden tähden kiertoradan erittäin täsmällisesti. He ovat havainneet, että kiertoaika on hitaasti hidastumassa, mikä on tarkasti sopusoinnussa painovoima-aaltojen säteilemistä koskevan Einsteinin teorian kanssa.

Maan päällä näiden aaltojen vaikutukset ovat äärimmäisen pienet. Valaisemme asiaa: 24. helmikuuta 1987 tähtitieteilijät havaitsivat supernovan – tähden, joka läpikävi dramaattisen muutoksen ja loisti miljoonien aurinkojen kirkkaudella, kun sen ulkokerrokset sinkoutuivat avaruuteen. Supernovan tuottamat painovoima-aallot aiheuttaisivat maan pinnalla värähtelyä, joka olisi mittasuhteiltaan vain vetyatomin läpimitan miljoonasosa. Miksi niin pieni muutos? Koska energia leviäisi äärettömän laajalle siihen mennessä, kun aallot saavuttaisivat maapallon.

Hämmentävää

Tiedon suuresta lisääntymisestä huolimatta tietyt painovoimaan liittyvät perusasiat saattavat tiedemiehet yhä ymmälle. On pitkään otaksuttu, että on olemassa pohjimmiltaan neljä voimaa: sähkömagneettinen voima, johon sähkö ja magnetismi perustuvat, heikko ja vahva voima, jotka vaikuttavat atomin ytimen sisällä, ja painovoima. Mutta miksi niitä on neljä? Voisiko olla niin, että kaikki neljä ovat yhden ja saman perusvoiman eri ilmenemismuotoja?

Äskettäin on näytetty toteen, että sähkömagneettinen voima ja heikko voima ovat niiden takana olevan sähköheikkovuorovaikutuksen ilmenemismuotoja. Ja teorioitten avulla yritetään yhdistää vahvaa voimaa ja näitä kahta. Painovoima on kuitenkin kummallinen erakko: se ei näy sopivan yhteen muiden kanssa.

Tiedemiehet toivovat saavansa johtolankoja hiljattain Grönlannin jäätiköllä suoritetuista kokeista. Jäähän poratussa, kaksi kilometriä syvässä reiässä tehdyt mittaukset näyttivät osoittavan, että painovoima poikkesi siitä, mitä oli odotettu. Aikaisemmat kokeet, joita on suoritettu kaivoskuiluissa ja ylhäällä televisiomastoissa, osoittivat samalla tavoin, että jokin selittämätön asia aiheutti poikkeamia niistä ennustuksista, joita tehtiin Newtonin painovoimasta esittämän kuvauksen perusteella. Sillä välin toiset teoreetikot yrittävät kehittää uutta matemaattista tarkastelutapaa, ”supersäieteoriaa”, yhdistääkseen luonnonvoimat.

Elämälle välttämätön painovoima

Sekä Newtonin että Einsteinin keksinnöt osoittavat, että lait hallitsevat taivaankappaleiden liikkeitä ja että painovoima toimii siteenä, jotta maailmankaikkeus pysyy koossa. Eräs fysiikan professori, joka kirjoitti New Scientist -aikakauslehteen, kiinnitti huomiota siihen, kuinka näissä laeissa ilmenee todiste suunnittelusta, ja sanoi: ”Vähäisinkin muutos gravitaatiovoimien ja sähkömagneettisten voimien suhteissa muuttaisi Auringon kaltaiset tähdet sinisiksi jättiläisiksi tai punaisiksi kääpiöiksi. Kaikkialla ympärillämme näyttää olevan todisteita siitä, että luonto on ymmärtänyt asiat oikein.”

Ilman painovoimaa meitä ei suoraan sanoen voisi olla olemassa. Harkitsehan seuraavaa: Painovoima pitää Aurinkomme koossa ja ylläpitää näin sen ydinreaktioita, jotka tuottavat tarvitsemaamme lämpöä ja valoa. Painovoima pitää pyörivän maapallon Aurinkoa kiertävällä radalla – mikä saa aikaan päivän ja yön ja vuodenajat – ja estää sen, että me sinkoutuisimme pois kuin muta pyörivästä rattaasta. Maan ilmakehä pysyy paikallaan painovoiman ansiosta, samalla kun Kuun ja Auringon vetovoima saa aikaan säännölliset vuorovedet, jotka auttavat kierrättämään valtameriemme vesiä.

Pienen sisäkorvassamme olevan tasapainoelimen ansiosta tunnemme painovoiman ja opimme ottamaan sen pienestä pitäen huomioon kävellessämme, juostessamme tai hyppiessämme. Miten paljon vaikeampaa astronauteilla onkaan, kun heidän täytyy selviytyä painottomista olosuhteista avaruuslennolla!

Painovoima auttaa siis osaltaan tekemään elämästä maan päällä meille normaalia. Se on todellakin kiehtova esimerkki Luojamme ”ihmetöistä”. – Job 37:14, 16.

[Alaviitteet]

[Kuva s. 16]

Newtonin painovoimalain mukaan höyhen putoaa tyhjiössä samalla nopeudella kuin omena

[Kuva s. 17]

Valo taipuu avaruudessa kulkiessaan toisten taivaankappaleiden vetovoimakentän läpi

[Kuva s. 18]

Korvassamme oleva pieni elin auttaa meitä pienestä pitäen ottamaan painovoiman huomioon ja pysymään tasapainossa