Miksi omena putoaa?

Teemme yhteistyötä Luulajan teknillisen yliopiston kanssa, jolla on vahvaa osaamista tutkimuksen, avaruustekniikan ja fysiikan saralla, ja täten koin asialliseksi kirjoittaa muutaman sanan painovoimasta.

Omena irtoaa puusta ja putoaa maahan. Planeetta kiertää uskollisesti tähteään. Polkupyöräilijä puskee hikipäissään rankkaa mäkeä ylös, ja antaa pyörän vieriä vapaasti mäkeä alas. Kaikkia näitä arjen ja avaruuden ilmiöitä yhdistää yksi ja sama voima – painovoima – joka toimii täsmälleen niin kuin Isaac Newton kuvasi sen lähes 350 vuotta sitten. Newton näki sen voimana, joka määrittelee, miten massiivisten kappaleiden kuuluu liikkua.

’Philosophiae Naturalis Principia Mathematica’ -nimisessä teoksessa julkaistu Newtonin yleinen gravitaatiolaki, oli mullistava. Yhtäkkiä omenien putoaminen ja planeettojen radat kyettiin selittämään yhdellä ja samalla matemaattisella kaavalla. Newtonin laki sanoo, että mitä suuremmat massat, sitä voimakkaampi vetovoima, kuten myös, että mitä kauempana kappaleet ovat toisistaan, sitä heikompi on vetovoima – ja kaiken taustalla on luonnon perusvakio, “Iso G”, jonka arvo määrää painovoiman mittakaavan koko maailmankaikkeudessa.

Yllätyksenä saattaa tosin tulla, että painovoima on itse asiassa heikoin luonnon neljästä perusvoimasta. Maan päällä painovoima voittaa onneksi, mutta ainoastaan siksi, että Maan massa on niin valtava. Kosmoksessa tähtien ja galaksien kaltaisten jättiläisten massakeskittymät varmistavat puolestaan sen, että painovoima pääsee määräämään, miten maailmankaikkeus rakentuu suuressa mittakaavassa.

Niin käyttökelpoinen kuin Newtonin kuvaus painovoimasta olikin, oli siinä kuitenkin vielä jotain parannettavaa. Se, että painovoima näyttäisi vaikuttavan välittömästi valtavienkin etäisyyksien yli – jopa puolikkaan universumin läpi – vaivasi suuresti Newtonia, ja hänellä ei ollut vastausta siihen miksi asia oli tällä tavalla.

Tässä kohtaa kuvaan astuu Albert Einstein. Hänen yleinen suhteellisuusteoriansa vuodelta 1916 muutti koko pelikentän. Painovoima ei olekaan voima siinä kuten muut, vaan aika-avaruuden geometriaa. Massiiviset kappaleet taivuttavat aika-avaruutta, ja toiset kappaleet seuraavat näitä kaaria. Gravitaatiokentän voimakkuus on vain mitta siitä, kuinka paljon aika-avaruus on kaartunut tietyssä pisteessä – ja painavat kappaleet yksinkertaisesti “valuvat” kohti toisiaan näitä kaaria pitkin. Vaikka tämä kuulostaa oudolta, on Einsteinin teoria läpäissyt jokaisen tarkastelun, johon teoria on joutunut.

Painovoima on siis oma erikoistapauksensa, joka eroaa luonnon kolmesta muusta perusvoimasta, eli sähkömagneettisesta voimasta, sekä vahvasta ja heikosta ydinvoimasta. Nämä kolme muuta ovat kvanttivoimia, kvanttikenttäteorian kuvaamia ja kvanttihiukkasten välittämiä, sekä kvanttimaailman lakeja noudattavia voimia.

Fyysikot toivovatkin, että jonain päivänä myös painovoima saadaan kytkettyä kvanttiteoriaan. Painovoiman hypoteettista välittäjähiukkasta, eli gravitonia, etsitään kuitenkin edelleen. Jos me joskus ”löydämme” kyseisen hiukkasen, olemme askeleen lähempänä kaiken teorian muodostamista – tilannetta, jolloin pystymme selittämään ilmiöt, joihin nykyiset teoriamme eivät taivu, kuten alkuräjähdyksen ja mustien aukkojen singulariteetit.

Painovoima kätkee siis yhä paljon salaisuuksia, kuten miksi se on niin paljon heikompi kuin muut voimat – ja miksi se esimerkiksi aina vetää, muttei koskaan työnnä? Miksi “Iso G” näyttää olevan juuri sopivasti viritetty niin, että elämä on ylipäätään mahdollista? Jos painovoima olisi vain hieman heikompi, olisi avaruuden laajeneminen estänyt tähtien ja galaksien synnyn. Jos se olisi taas hieman vahvempi, olisi kaikki luhistunut kasaan jo varhain universumin ison romahduksen myötä.

Painovoima on syvästi arvoituksellinen. Kiitämme kuitenkin painovoimaa siitä, että se on juuri sellainen kuin se on – ei enempää eikä vähempää – ja että kypsä omena putoaa syksyisin maahan.