Painovoima-aallot on ensimmäistä kertaa havaittu kokeellisesti. Havainto todistaa, että yleinen suhteellisuusteoria pitää paikkansa – ja kyseenalaistaa kaiken mitä pidämme arkipäiväisessä elämässämme itsestään selvänä.
Einsteinin suhteellisuusteoria on yksi parhaiten tunnettuja fysiikan teorioita. Suhteellisuusteoria kiehtoo, sillä se on monella eri tapaa suorastaan järjenvastainen. Teorian mukaan katsojan silmässä ovat kauneuden lisäksi myös muun muassa pituus ja aika.
Suhteellisuusteoria jaetaan usein kahteen osaan: suppeaan ja yleiseen. Suppean suhteellisuusteorian lähtökohtana on havainto, ettei valo voi kulkea nopeammin kuin 299 792 458 metriä sekunnissa. Suurempi nopeus ei yksinkertaisesti ole mahdollinen, ei vaikka henkilöauto kulkisi sadan kilometrin tuntinopeutta ja kytkisi sumuvalot päälle. Kyseessä ei ole Einsteinin hatusta vetämä sääntö, vaan laboratorio-olosuhteissa mitattu fakta. Fakta, joka on pahasti ristiriidassa intuitiivisesti tuntemiemme tosiasioiden kanssa. Onhan meille arkielämässämme täysin selvää, että nopeudet summautuvat: liukuportaita pääsee nopeammin ylös juoksemalla kuin yksittäisen portaan päällä seisomalla.
Jos valonnopeus ei kuitenkaan jousta, niin jonkin muun täytyy – pituuden ja ajan. Einstein ymmärsi, että aika ja etäisyydet ovat kietoutuneet yhteen niin kutsutuksi aika-avaruudeksi. Nimestään huolimatta aika-avaruus ei kuvaa ainoastaan ulkoavaruutta, vaan kaikkia meitä ympäröiviä pituuksia, korkeuksia ja syvyyksiä, sekä kelloilla mittaamaamme aikaa.
Suppeaan suhteellisuusteoriaan liitetään usein kuuluisa kaksosparadoksi, jossa toinen identtisistä kaksosista lähtee avaruusmatkalle ja palaa maahan useita vuosia nuorempana kuin sisarensa. Paradoksi kuvastaa suhteellisuuden intuitiivista järjettömyyttä, mutta on ainoastaan näennäinen: kyseessä ei ole ajatusleikki, vaan tosiasia. Suhteellisuusteorian mukaan ”liikkuva kello jätättää”, eli lähes valonnopeudella liikuttaessa aika hidastuu. Fysiikassa ilmiötä kutsutaan aikadilaatioksi. Mikäli avaruusmatkailu valonnopeudella olisi mahdollista, sisarukset siis todella olisivat eri-ikäiset toisen palatessa takaisin kotiinsa.
Ilmiön heikkouden vuoksi Einstein ei itse uskonut, että ilmiötä pysyttäisiin koskaan havaitsemaan kokeellisesti.
Selkeät ristiriidat eri havaitsijoiden, kuten astronautin ja hänen maassa odottavan kaksossisarensa, välillä ilmenevät kuitenkin vasta kun toinen havaitsijoista liikkuu lähes valonnopeudella. Arkielämässä emme siis pääse havaitsemaan tällaisia ristiriitoja – ainakaan kaksosten välillä. Nykymaailma kuitenkin perustuu informaation nopeaan siirtämiseen paikasta toiseen. Esimerkiksi GPS-järjestelmän tarkkuus huononisi lähes 300 metriä päivässä, jollei järjestelmä ottaisi huomioon muun muassa aikadilaation vaikutuksia.
Yleinen suhteellisuusteoria on nimensä mukaisesti laajempi versio suppeasta suhteellisuusteoriasta. Einsteinin vuonna 1916 julkaisema laajennus ei rajoitu ainoastaan seurailemaan valonnopeudella lenteleviä sisaruksia, vaan ulottaa selitysvoimansa paljon suurempiin asioihin – koko avaruuteen. Se selittää muun muassa gravitaation, eli painovoiman, aika-avaruuden käsitteen avulla.
Painovoimasta puhuttaessa aika-avaruutta kuvataan usein venyväksi kankaaksi, jonka massiiviset kappaleet painavat kuopalle. Aika-avaruutta voi siis ajatella vaikkapa trampoliinina ja maapalloa painavana teräspallona, joka asetetaan trampoliinin keskelle: pallo saa trampoliinin painumaan kuopalle. Trampoliinin reunalle asetettu pieni ja kevyt marmorikuula vierii kohti trampoliinin keskellä sijaitsevaa valtavaa teräspalloa, koska trampoliinin pinta viettää sinne. Me elämme tuon massiivisen pallon päällä ja putoamme aina alaspäin, koska aika-avaruuden mielessä jalkojemme alla on aina massiivinen kuoppa.
Aika-avaruus ei kuitenkaan ole jähmeä ja muotoonsa kovettunut, vaan jatkuvasti olosuhteisiin muotoutuva. Ulkoavaruuden massiiviset tapahtumat, kuten kahden mustan aukon törmäys, aiheuttavat aika-avaruuteen tapahtumapaikasta ulospäin eteneviä häiriöitä, joita kutsumme gravitaatioaalloiksi. Aika-avaruus käyttäytyy siis kuten veden pinta, johon on heitetty kivi – yhdellä merkittävällä erolla: aika-avaruus ei koostu vedestä, vaan pituuksista ja ajasta. Mitä tapahtuu, kun pituudet ja aika aaltoilevat? Professori Kimmo Kainulainen kertoo, että gravitaatioaallon ansiosta kohteiden etäisyydet muuttuvat hetkellisesti.
”Tämä muutos on kuitenkin hyvin pieni, tyypillisesti noin protonin säteen tuhannesosan verran kilometrin matkalla.”
Kainulainen toimii tutkijana Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kosmologian ryhmässä, jossa työskentelee noin tusina työntekijää ja jatko-opiskelijaa. Ryhmässä on tutkittu muun muassa Einsteinin teorian laajennuksia ja gravitaatiokenttien vaikutuksia valon kulkuun avaruudessa.
Ilmiön heikkouden vuoksi Einstein ei itse uskonut, että ilmiötä pysyttäisiin koskaan havaitsemaan kokeellisesti. Historiankirjojen mukaan hän ei uskonut edes mustiin aukkoihin. Tämä ei kuitenkaan estänyt tiedeihmisiä yrittämästä, sillä fysiikka on sydämessään kokeellinen luonnontiede. Matemaattisestikaan pätevää teoriaa ei voida pitää täysin hyväksyttynä, ennen kuin se on mittaamalla todistettu.
Yleisen suhteellisuusteorian julkaisusta oli kulunut jo yli 50 vuotta, kun amerikkalainen fyysikko Joseph Weber julisti havainneensa gravitaatioaallon kokeellisesti. Hän oli tutkinut gravitaatioaaltoja kahden lämminvesivaraajan kokoisen alumiinisylinterin avulla. Toisen sylintereistä hän oli sijoittanut Marylandin yliopistoon, toisen yli tuhannen kilometrin päähän Chicagoon. Pian Weber julisti havainneensa gravitaatioaallon aiheuttamia värähdyksiä kummassakin sylinterissä samanaikaisesti. Useat tutkimusryhmät innostuivat rakentamaan omat laitteistonsa aaltojen havaitsemiseksi, mutta yksikään ryhmä ei saanut Weberin tuloksia toistettua. Lopulta tulokset hylättiin kokonaan. Weberin maine tutkijana kärsi, mutta hänen nimeensä liitetään nykypäivänä usein kunnia gravitaatioaaltojen kokeellisen tutkimuksen alullepanosta.
Vain kuusi vuotta myöhemmin gravitaatioaaltojen olemassaolo pystyttiin jo todistamaan, joskin ainoastaan epäsuorasti. Amerikkalaiset tutkijat Russell Hulse ja Joseph Taylor löysivät tuolloin kahden neutronitähden muodostaman systeemin, jonka toinen osapuoli pyöri erittäin nopeasti. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, kuinka paljon tähdet menettävät energiaa säteilemällä gravitaatioaaltoja. Hulse ja Taylor totesivat tähtisysteemiä tarkkailemalla ennusteen pitävän paikkansa ja saivat löydöstään Nobelin palkinnon vuonna 1993.
Suora havainto kuitenkin edelleen puuttui. Vuonna 1999 vihittiin käyttöön uusi gravitaatioaaltojen havaintoasema LIGO. Kainulainen kertoo LIGOn muodostuvan kahdesta erillisestä tutkimuslaitteistosta. Toinen laitteistoista sijaitsee Washingtonissa, toinen 3002 kilometrin päässä Louisianassa. Kumpikin tutkimuslaitteisto koostuu kahdesta L:n muotoisesta, neljän kilometrin mittaisesta tyhjiöputkesta, joiden päissä on peilit. Putkien välissä on lasertykki, jonka valo jaetaan optisesti putkiin. Gravitaatioaaltojen aiheuttamat vääristymät voidaan havaita putkissa kimpoilevan jäännösvalon voimakkuutta tarkkailemalla.Tutkimuslaitteistoja on kaksi, jotta gravitaatioaalto voidaan erottaa muista ympäristön häiriöistä: toisin kuin vaikkapa ohi ajava rekka, gravitaatioaalto näkyy kummassakin havaintoasemassa samanaikaisesti. Valitettavasti jäännösvaloon aiheuttavat häiriöitä myös muut tekijät, jopa laservalon omat kvanttitason vaihtelut.
Tämä on kiistatta tavattoman tärkeä löytö. Joku saa sen vuoksi varmasti kutsun Tukholmaan niin että kulut korvataan
”Taustahälyn vaikutus jäännösvaloon oli vuosien ajan kertaluokkia suurempi kuin gravitaatioaallon signaali”, Kainulainen summaa ja kertoo, että kehitystyötä taustahälyn vaimentamiseksi on tehty vuosikymmeniä. Viime syksynä LIGO-laitteistoon saatiin vihdoin tehtyä parannuksia, joilla taustahälyä saatiin merkittävästi alennettua. Paranneltua LIGO-laitteistoa kutsutaan nimellä aLIGO.
”Parannellun aLIGO-kokeen ensimmäiset kuusitoista havaintopäivää tuottivatkin välittömästi jackpotin.”
LIGOn tutkijat havaitsivat vihdoin gravitaatioaallon aiheuttaman signaalin kummassakin havaintoasemassa. Fyysikoiden mukaan havaittu aalto syntyi 1,3 miljardia vuotta sitten kahden mustan aukon törmäyksestä. Kummankin massa oli noin 30 kertaa oman aurinkomme massa. Törmäyksessä ne kietoutuivat yhteen entistäkin massiivisemmaksi, vinhasti pyöriväksi mustaksi aukoksi. Noin kolmen auringon massaa vastaava energia muuttui törmäyksessä gravitaatioaalloiksi, Einsteinin kuuluisan E=mc2 -yhtälön mukaisesti. Universumin vastaus vuosisadan kysymykseen saapui lopulta maapallolle tuskin erotettavana kuiskauksena, ja sen kuuleminen on jälleen yksi osoitus nykyteknologian uskomattomasta tarkkuudesta.
”Tämä on kiistatta tavattoman tärkeä löytö. Joku saa sen vuoksi varmasti kutsun Tukholmaan niin että kulut korvataan”, arvioi Kainulainen.
Itse havainnon onnistuminen ei kuitenkaan ole ainoa tiedemaailman kannalta merkittävä uutinen. Kainulainen sanoo, että havainnosta tekee erityisen mielenkiintoisen sen yksityiskohtaisuus.
”Nyt ei todettu vain gravitaatioaallon olemassaoloa, vaan mitattiin sen täsmällinen muoto, mikä avaa kokonaan uuden ikkunan vahvojen gravitaatiokenttien ilmiömaailmaan. Lisäksi tehtiin ensihavainto aivan uudesta astrofysikaalisesta ilmiöstä, kahden mustan aukon törmäyksestä.”
Suuria saavutuksia seuraavat vielä suuremmat tavoitteet. Teoreettisen fysiikan unelma on kulkea kohti kaiken teoriaa. Tällä hetkellä fysiikka tunnistaa neljä voimaa – painovoiman, sähkömagnetismin sekä heikon ja vahvan ydinvoiman. Jokaiselle voimalle on oma teoriansa, joka soveltuu ainoastaan kyseisen voiman piirissä olevien ilmiöiden tarkasteluun. Painovoimateorialla ei siis voida suunnitella sähkölaitteita, eikä sähkömagnetismilla ydinvoimaloita. Voimilla on kuitenkin paljon keskenään yhteisiä piirteitä, ja fyysikot uskovatkin niiden edustavan yhden perusvoiman eri puolia. Kaiken teoria siis yhdistäisi kaikki tuntemamme voimat yhdeksi perusvoimaksi. Gravitaatioaaltojen havaitseminen on taas yksi pala lisää tähän kunnianhimoiseen palapeliin, sillä se antaa meille lisätietoa painovoiman luonteesta.
Entä mitä merkitystä löydöllä on arkielämämme kannalta? Suoria arkielämän sovelluksia Kainulainen ei osaa uudelle tiedolle nimetä, mutta professori innostuu kuitenkin kieli poskella kuvittelemaan, että gravitaatioaaltojen lähempi tarkastelu paljastaisikin gravitaatiosta jotakin sellaista, mikä mahdollistaisi vaikkapa stabiilien madonreikien rakentamisen.
”Teoreettisestihan madonreikien valmistaminen ei ole kovin vaikeaa – olettaen että käytössä on niin sanottua aave-ainetta, joka tosin outoudessaan saattaa pimeän energiankin häpeään – mutta se on toinen juttu.”
Havainto onkin ihmiskunnalle merkittävä lähinnä sen vaikutuksesta maailmankuvaamme. Se todistaa, että maailma on juuri niin järjetön kuin Einsteinin sata vuotta sitten muotoilema suhteellisuusteoria kertoo. Einstein oli siis taas oikeassa – no, kaikesta paitsi mustista aukoista.
Lue lisää: