Eroon suuresta järjettömyydestä
Jatkan poimintoja kurssin Fysiikkaa runoilijoille aiheista. Kirjoitin aiemmin klassisen taivaanmekaniikan paljastamasta uudesta kauneudesta sekä suppean suhteellisuusteorian syrjäyttämästä eetteristä esimerkkinä järkevistä mutta vääristä suunnista. Nyt on vuorossa yllättävät vastaukset yleiseen suhteellisuusteoriaan johtaneisiin yllättäviin kysymyksiin.
Kun käy fysiikan historiaa läpi järjestyksessä, on silmiinpistävää, kuinka monasti järkevät ja perustellut ideat, kuten eetteri, ovat olleet täysin väärin. Usein havainnot ovat vieneet oikeille jäljille, ja teorioita on kehitetty tiiviissä vuorovaikutuksessa kokeiden kanssa. Yleinen suhteellisuusteoria on tässä suhteessa poikkeuksellinen, koetuloksilla ei ollut sen rakentamisessa ratkaisevaa merkitystä. Sen sijaan se on hyvä esimerkki siitä, miten oikeaan vastaukseen vievät vihjeet ovat joskus yhtä aikaa sekä kaikkien nähtävissä että vaikeasti ymmärrettävissä.
Isaac Newtonin vuonna 1687 esittämän klassisen gravitaatioteorian mukaan kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Tämä yksinkertainen laki on tarkemmin mietittynä hieman kummallinen: mistä kappale tietää, missä muut kappaleet ovat? Kun planeetta miljardien valovuosien päässä siirtyy radallaan, niin Newtonin gravitaatiolain mukaan sen aiheuttama voima muuttuisi täällä välittömästi.
On kaksi vaihtoehtoa: joko kappaleiden välillä on jonkinlainen niiden luonteelle ominainen kaukovaikutus, jolle ei ole sen kummempaa selitystä, tai sitten jokin välittää tietoa kappaleelta toiselle. Newton itse kirjoitti, että ajatus siitä, että gravitaatio olisi aineen sisäinen ominaisuus
”on niin suuri järjettömyys, että en usko kenenkään filosofisissa asioissa pätevän ajattelijan voivan siihen ikinä langeta. Gravitaatiolla täytyy olla välittäjä, joka toimii jatkuvasti tiettyjen lakien mukaan; mutta sen, onko tämä välittäjä aineellinen vai aineeton, olen jättänyt lukijoideni harkittavaksi.”
Lukijoiden harkintakyky ei vastannut Newtonin toiveita, ja hänen tuomitsemastaan kannasta tuli fysiikan valtavirtaa yli kahdensadan vuoden ajaksi. Viimeistään vuonna löydetty 1905 suppea suhteellisuusteoria kuitenkin vaati muutosta asiaan. Suhteellisuusteorian mukaan tieto kulkee korkeintaan valonnopeudella, joten kappaleet eivät voi tietää toistensa paikkojen muutoksesta heti, ainoastaan viiveellä.
Newtonin gravitaatiolaki muistuttaa sähköopista tuttua Coulombin lakia, jonka mukaan sähkövarausten välinen voima on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Maxwellin sähkömagnetismi selitti, että sähkövaraus ei suoraan vedä toisia puoleensa. Sen sijaan varaus synnyttää sähkökentän, joka vaikuttaa muiden varausten liikkeeseen. Kun varaus liikkuu, sen synnyttämä sähkökenttä muuttuu, ja kentän muutos etenee valonnopeudella. Kun varaukset ovat lähellä ja liikkuvat hitaasti, niiden välinen voima on suunnilleen Coulombin lain mukainen, mutta se ei päde yleisesti.
Tätä voi pitää vihjeenä gravitaation luonteesta: entä jos gravitaatioon liittyy jokin kenttä, jonka muutokset etenevät valonnopeudella? Tätä polkua seurasi suomalainen fyysikko Gunnar Nordström, joka esitti vuonna 1913 ensimmäisen suppean suhteellisuusteorian kanssa sopusoinnussa olevan gravitaatioteorian. Siinä massat saavat aikaan kentän, jonka muutokset välittävät gravitaatiota, hieman sähkömagnetismin tapaan. Nordströmin teoria oli yksinkertainen, elegantti ja väärä.
Albert Einstein kulki eri reittiä. Hän oli ottanut vaarin siitä, että kaikki kappaleet liikkuvat samalla tavalla gravitaatiokentässä, toisin kuin sähkökentässä. Tämä oli hyvin tunnettu havainto, jolle ei ollut kunnollista selitystä, mutta joka toisaalta ei ollut ristiriidassa minkään muun asian kanssa, joten ei ollut ilmeistä, pitäisikö siitä olla huolissaan. Einstein kuitenkin päätteli siitä, että gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus, ei mikään siinä oleva kenttä. Tämä idea vaati perusteellisempaa uudelleenajattelua kuin Nordströmin ehdotus, ja sen täsmällinen ilmaiseminen yleisen suhteellisuusteorian muodossa kesti kahdeksan vuotta, päättyen vuonna 1915.
Yleisen suhteellisuusteorian ja Nordströmin teorian välisen kilvan ratkaisi vuoden 1919 auringonpimennyksen aikana mitattu valon taipuminen. Nordströmin teorian mukaan gravitaatio ei vaikuta valoon, mutta yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaatio vaikuttaa kaikkeen mitä aika-avaruudessa on. Havaintojen mukaan valo taipui, ja yleisen suhteellisuusteorian riemuvoitto raportoitiin lehtien etusivuilla.
Vastaus Newtonin avoimeksi jättämään kysymykseen siitä, onko välittäjä ”aineellinen vai aineeton” oli täysin odottamaton: gravitaatiota välittää aika-avaruus itse. Yleinen suhteellisuusteoria samalla ennusti, että kuten sähkömagneettisessa kentässä voi olla aaltoja, niin aika-avaruudessa itsessään voi olla aaltoja, gravitaatioaaltoja. Ne ovat osoitus gravitaation välittäjästä, siitä, että Newtonin ”suuresta järjettömyydestä” on päästy eroon. Gravitaatioaaltojen näkemisessä kesti kauan, ensimmäinen suora havainto ilmoitettiin vasta viime helmikuussa. Newtonin kysymykseen vastaaminen myös osoitti, että kappaleiden välinen näennäinen vetovoima ja gravitaatioaallotkin ovat vain pieni osa gravitaation rikkaasta ilmiömaailmasta, ja avasi oven kosmologialle, eli maailmankaikkeuden historian ymmärtämiselle.
Miten erilaiset gravitoneja sisältävät teoriat sopivat yhteen sen kanssa, että ”gravitaatiota välittää aika-avaruus itse”?
Asia menee suunnilleen niin että sanaa ”gravitoni” käytetään kuvaamaan pieniä muutoksia aika-avaruudessa, erityisesti silloin kun niitä käsitellään kvanttiteorian keinoin. Ne eivät ole erillinen idea aika-avaruuden kaarevuudesta, vaan eräs tapa hahmottaa pientä osaa siitä.
Olisiko samanlainen ”hahmottamisen tapa” kuin esim. Feynmannin diagrammit?
Juurikin.
Magneettikenttä näyttää myös taivuttavan fotonien reittiä. Mielenkiinnolla odotan sähkömagnetismin kenties tuntemattomia vaikutusmekanismeja kvanttimekaniikassa.
Emme ehkä tiedä vielä….
Klassisessa sähkömagnetismissa magneettikenttä ei vaikuta valon (eli fotonien) kulkuun.
Sähkömagnetismin kvanttiteoria ymmärrettiin vuonna 1948, ja siitä saivat Nobelin palkinnon Tomonaga, Schwinger ja Feynman vuonna 1965.
Syksy, mitä sanot ns. solmukvanttiteorian mallista kuvaamaan aika-avaruuden gravitaatio-ominaisuutta?
Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka eivät liity merkinnän aiheeseen. En tiedä palaanko asiaan jossain muussa merkinnässä.
Syksy:
”Yleinen suhteellisuusteoria on tässä suhteessa poikkeuksellinen, koetuloksilla ei ollut sen rakentamisessa ratkaisevaa merkitystä.”
Olisin tuosta hieman eri mieltä. Einsteinin periaatteellinen ajatus valon nopeuden putoamisesta gravitaation vaikutuksesta voi hyvinkin olla yhteenveto Roemerin ja muiden Jupiter-Io -mittausten sekä Michelson-Morley -kokeiden pohjalta. Kyllähän havaintotuloksia oli laajasti. Lisäksi havaintojen/koetulosten kanssa yhteensopivat uudet löydöt Maxwellilta ja muilta: aineen rakenne, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja valo sellaisena antoivat varmasti polttoainetta pohdintoihin…
Totta on, että sitkeyttä kauniista logiikasta kiinni pitämisessä Einsteinilla kyllä oli. Siinä varmasti auttoi aikalaistutkijoiden, kuten suomalaisen Nordströmin, sparraus kilpailevine ideoineen.
Ei vertailu tähän päivään ole aivan kelvoton. Paradigmafysiikka on edennyt detalji detaljilta, mutta ilman uutta kaunista logiikkaa jonkinlainen seinä näyttäisi nousevan eteen…
Valon äärellinen nopeus toki tiedettiin, mutta tämä oli -kuten eetterimerkinnässä selitin- luonnollista myös klassisen mekaniikan näkökulmasta.
Michelsonin ja Morleyn kokeella olisi voinut olla suppean suhteellisuusteorian kannalta merkitystä, mutta sen merkitys ei tiettävästi ollut kovin iso.
Yleisen suhteellisuusteorian kohdalla kokeiden merkitys oli kenties vielä vähäisempi – ei olematon, mutta vähäinen.