Painovoima — mitä se on? Newton, Einstein ja mahdolliset gravitonit
Tutustu painovoimaan: Newtonin lait, Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ja gravitonien mahdollinen rooli — selkeä, kiinnostava ja helppolukuinen opas.
Painovoima eli gravitaatio on yksi maailmankaikkeuden perusvoimista. Se on vetovoima, joka vaikuttaa minkä tahansa kahden massan omaavan kappaleen välillä ja määrää muun muassa planeettojen liikkeet, atomien käyttäytymisen suurissa mittakaavoissa sekä esineiden putoamisen maan pinnalle. Tässä artikkelissa käsittelemme painovoimaa kolmesta näkökulmasta:
- Arkitaju: voima, joka saa esineet putoamaan maahan.
- Newtonin lait: miten painovoima pitää aurinkokunnan ja useimmat suuret tähtitieteelliset kohteet koossa.
- Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria: painovoiman rooli maailmankaikkeudessa.
Jotkut fyysikot esittävät, että painovoima voi johtua gravitoneista, mutta toistaiseksi tämä on hypoteesi ilman suoraa kokeellista vahvistusta.
Arkitaju: miksi esineet putoavat?
Arkikokemuksemme mukaan esineet putoavat kohti maan pintaa. Tämä johtuu siitä, että maa vetää esineitä puoleensa gravitaation avulla. Putoamisen kiihtyvyys maan lähellä on keskimäärin noin 9,81 m/s² (tätä kutsutaan g:ksi). On tärkeää erottaa massa ja paino: massa on kappaleen ominaisuus (kuinka paljon ainetta siinä on), kun taas paino on voima, jonka gravitaatio kohdistaa massaan.
Pudotuksen aikana kappaleet vapaassa pudotuksessa liikkuvat geometristen syiden sijasta (jatkuvan kiihtymisen vuoksi) — ilman ilmanvastusta eri massaiset kappaleet putoavat samalla tavalla. Ilmanvastus muuttaa käytännön tuloksia (esimerkiksi paperi putoaa hitaammin kuin pallo), mutta tyhjiössä kaikki kiihtyvät yhtä nopeasti.
Newtonin lait ja universaali vetovoima
Isaac Newton muotoili 1600-luvulla painovoimalle yksinkertaisen ja laajasti toimivan kuvauksen: kahden massan välillä vaikuttava gravitaatiovoima F on verrannollinen niiden massasumman tuloon ja kääntäen verrannollinen etäisyyden r neliöön. Kaavamuodossa:
F = G * (m1 * m2) / r²
missä G on gravitaatiovakio (noin 6,674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²). Tämä niin kutsuttu käänteisen neliön laki selittää, miksi planeetat kiertävät aurinkoa ellipsin muotoisilla radoilla ja miksi kuun vetovoima aiheuttaa vuorovesi-ilmiön maassa.
Newtonin teoria selitti ja yhdisti useita havaintoja, kuten Keplerin lait planeettojen liikkeestä, ja mahdollisti tarkkojen ennusteiden tekemisen monissa tilanteissa. Siitä huolimatta Newtonin kuvaus ei ota huomioon valon käyttäytymistä gravitaatiokentissä eikä kuvaa aikakäsitettä dynaamisesti — tämän rajallisuuden takia tarvittiin myöhemmin uusi teoria.
Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria
Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria (YST) muutti käsityksen gravitaatiosta: sen sijaan, että gravitaatio olisi pelkkä voima, se esitetään avaruusaikakäyrien muodossa. Massat ja energia kaareuttavat avaruusaikaa, ja kappaleet liikkuvat näitä kaarevuuksia mukaillen — ne kulkevat niin kutsuttuja geodeettisia ratoja.
Tämän näkemyksen seurauksena YST selitti ilmiöitä, joita Newtonin teoria ei voinut täysin kattaa, kuten Maan kiertoradan periheliumin pienen precession Mercuriuksen tapauksessa ja auringon ympärillä kulkevien valonsäteiden taipumisen. YST ennusti myös gravitaatioaaltokenttien olemassaolon; nämä aaltoilut havaittiin suoraan ensimmäisen kerran LIGO-laitteiston avulla 2015, vahvistaen teorian merkittävällä tavalla.
Yleisessä suhteellisuusteoriassa on myös keskeinen ekvivalenssiperiaate: painovoiman ja kiihtyvyyden vaikutuksia ei voida paikallisesti erottaa toisistaan. Tämän vuoksi esimerkiksi hississä leijuessa tai vapaapudotuksessa olevassa aluksessa koetut vaikutukset muistuttavat toisiaan.
Gravitonit ja kvanttigravitaatio
Klassinen ja relativistinen kuvaus gravitaatiosta ei yhdisty suoraan kvanttimekaniikkaan. Siksi teoreetikot etsivät kvanttiteoriaa gravitaatiolle — yksi idea on, että gravitaatio välittyisi kvanttipartikkeleiden, niin kutsuttujen gravitonien, kautta. Gravition oletetaan olevan massaton ja kantavan voiman kvanttiselitys (useimmissa malleissa spin-2-partikkeli).
Kuitenkin gravitonien havaitseminen on äärimmäisen vaikeaa: gravitaation vuorovaikutus on hyvin heikko verrattuna muihin perusvuorovaikutuksiin, ja mahdollinen kvanttiluontoinen käyttäytyminen näkyisi tyypillisesti Planckin mittakaavassa, joka on nykyteknologialle saavutamaton. Lisäksi gravitaaliaaltojen havaitseminen ei itsessään tarkoita gravitonien suoraa havaitsemista — gravitaaliaallot ovat klassisia ilmiöitä, jotka YST ennustaa.
Nykyisiä lähestymistapoja kvanttigravitaation etsimisessä ovat muun muassa string-teoria ja loop quantum gravity, mutta yhteisesti hyväksytty, kokeellisesti vahvistettu kvanttigavitaation teoria puuttuu edelleen. Tutkimus jatkuu sekä teoreettisella että kokeellisella tasolla.
Yhteenveto
Painovoima on avaintekijä, joka muovaa maailmankaikkeuden rakennetta pienestä mittakaavasta suureen: se saa omenat putoamaan, pitää planeetat radoillaan ja luo mustia aukkoja. Newtonin lait tarjoavat yksinkertaisen ja käytännöllisen mallin moniin ilmiöihin, mutta Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria antaa syvemmän käsityksen gravitaation geometrisesta luonteesta. Gravitonit ja kvanttigravitaatio ovat edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteita — mahdollinen tuleva yhdistelmä selittäisi, miten gravitaatio sopii kvanttimaailman kuvaan.
Gravity Probe B:n taiteilijakuva Maata kiertävästä gravitaatioluotaimesta, jonka tehtävänä on mitata avaruusaikaa, universumin neliulotteista kuvausta, joka sisältää korkeuden, leveyden, pituuden ja ajan.
Arjen painovoima
tarkastella - keskustella - muokata
-13 -
-
-12 -
-
-11 -
-
-10 -
-
-9 -
-
-8 -
-
-7 -
-
-6 -
-
-5 -
-
-4 -
-
-3 -
-
-2 -
-
-1 -
-
0 -
←
Varhaisin galaksi
←
←
Linnunradan spiraalit
←
NGC 188 tähtijoukko
←
Paino vs. massa
Jokapäiväisessä puheessa sanomme, että asiat putoavat, koska maan vetovoima vetää niitä puoleensa. Puhumme ikään kuin painomme olisi "annettu". Todellisuudessa paino muuttuu, kun painovoiman vetovoima muuttuu. Kuu on paljon pienempi, ja Kuun vetovoima on noin 1/6 Maan vetovoimasta. Niinpä mikä tahansa esine painaa Kuussa 1/6 sen painosta Maassa. Se, mikä ei muutu, on esineen sisältämän aineen määrä. Tätä kutsutaan massan säilymiseksi. Maassa massa ja paino ovat useimmissa tapauksissa samat, vaikka herkkä gravimetri voi havaita eron. Ero voi olla hyvin erilainen toisessa maailmassa, kuten Kuussa.
Tästä opimme kaksi asiaa.
- Esineen paino on muuttuva, mutta sen massa on vakio.
- Painovoiman vetovoima vaihtelee esineen massan mukaan. Maa vetää voimakkaammin kuin Kuu. Myös ihmisellä on vetovoima, mutta se on niin pieni, että se voidaan jättää käytännössä huomiotta.
Maapallolla on massa. Jokaisella aineen hiukkasella on massa. Niinpä Maa vetää jokaista esinettä ja ihmistä puoleensa, ja ne vetävät Maata puoleensa. Tätä vetovoimaa kutsutaan "painovoimaksi", ja se antaa painon.
Painovoima vs. gravitaatio
Nämä sanat tarkoittavat lähes samaa asiaa jokapäiväisessä käytössä. Joskus tiedemiehet käyttävät "gravitaatiota" voimasta, joka vetää esineitä toisiaan kohti, ja "gravitaatiota" vetovoiman teoriasta.
Gravitaatioteoria
Galileo
Erään oppilaansa mukaan Galileo teki kuuluisan painovoimakokeen, jossa hän pudotti palloja Pisan tornista. Myöhemmin hän vieritti palloja alas kaltevia rinteitä. Näillä kokeilla Galileo osoitti, että painovoima kiihdyttää kaikkia esineitä samalla nopeudella painosta riippumatta.
Kepler
Johannes Kepler tutki planeettojen liikettä. Vuosina 1609 ja 1616 hän julkaisi kolme lakia, jotka koskevat planeettojen kiertoratojen muotoa ja niiden nopeutta näillä kiertoradoilla, mutta ei saanut selville, miksi ne liikkuivat kyseisellä tavalla.
Newton
Vuonna 1687 englantilainen matemaatikko Isaac Newton kirjoitti teoksen Principia. Tässä kirjassa hän kirjoitti painovoiman käänteisneliölaista. Newton noudatti ajatusta, josta muut olivat keskustelleet jo pitkään, ja totesi, että mitä lähempänä kaksi esinettä on toisiaan, sitä enemmän painovoima vaikuttaa niihin.
Newtonin universaalin gravitaatiolain mukaan painovoima on voima, joka kohdistuu kahden massan omaavan kappaleen välille. Sen voimakkuuteen vaikuttavat kolme lukua: kummankin kappaleen massa ja niiden välinen etäisyys. Nämä kaksi esinettä vetävät toisiaan puoleensa samalla voimalla. Voima vaikuttaa kuitenkin voimakkaammin kohteisiin, joiden massa on pienempi. Auringon ja Maan välinen voima saa Maan kiertämään Aurinkoa, mutta se liikuttaa Aurinkoa vain vähän.
Newtonin lakeja käytettiin myöhemmin ennustamaan Neptunus-planeetan olemassaolo Uranuksen kiertoradan muutosten perusteella ja taas ennustamaan toisen, Merkuriusta lähempänä Aurinkoa olevan planeetan olemassaolo. Kun tämä oli tehty, selvisi, että hänen teoriansa ei ollut täysin oikea. Nämä virheet hänen teoriassaan korjattiin Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian avulla. Newtonin teoriaa käytetään edelleen yleisesti moniin asioihin, koska se on yksinkertaisempi ja riittävän tarkka moniin käyttötarkoituksiin.
Dynaaminen tasapaino
Miksi Maa ei putoa aurinkoon? Vastaus on yksinkertainen mutta erittäin tärkeä. Se johtuu siitä, että Aurinkoa kiertävä Maa on dynaamisessa tasapainossa. Maan liikkeen nopeus aiheuttaa keskipakovoiman, joka tasapainottaa Auringon ja Maan välistä gravitaatiovoimaa. Miksi maapallo jatkaa pyörimistä? Koska mikään voima ei pysäytä sitä.
Newtonin ensimmäinen laki: "Jos kappale on levossa, se pysyy levossa, tai jos se on liikkeessä, se liikkuu samalla nopeudella, kunnes siihen kohdistuu ulkoinen voima".
Keskipakovoiman ja gravitaatiovoiman välillä on eräänlainen analogia, joka johti yleisen suhteellisuusteorian "vastaavuusperiaatteeseen".
Painottomuus
Vapaassa pudotuksessa kappaleen liike tasapainottaa painovoiman vetovoiman. Tämä koskee myös kiertoradalla olemista.
Newtonin universaalin gravitaatiolaki.
Yleinen suhteellisuusteoria
Erityinen suhteellisuusteoria kuvaa järjestelmiä, joissa painovoima ei ole ongelma; sitä vastoin painovoima on yleisen suhteellisuusteorian keskeinen kysymys.
Yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole gravitaatiovoimaa, joka poikkeuttaa kohteita niiden luonnolliselta, suoralta reitiltä. Sen sijaan painovoima nähdään muutoksina avaruuden ja ajan ominaisuuksissa. Tämä puolestaan muuttaa suorimpia mahdollisia polkuja, joita kappaleet luonnollisesti kulkevat. Kaarevuus puolestaan johtuu aineen energiamomentista. Avaruusaika kertoo aineelle, miten se liikkuu, ja aine kertoo avaruusajalle, miten se kaartuu.
Heikkojen gravitaatiokenttien ja valonnopeuteen nähden hitaiden nopeuksien osalta teorian ennusteet lähenevät Newtonin universaalin gravitaatiolain ennusteita. Newtonin yhtälöitä käytetään matkojen suunnitteluun aurinkokunnassamme.
Yleisellä suhteellisuusteorialla on useita fysikaalisia seurauksia.
Ajanlaajeneminen ja taajuussiirtymä
Painovoima vaikuttaa ajan kulumiseen. Gravitaatiokaivoon alaspäin lähetetty valo siirtyy siniseksi, kun taas vastakkaiseen suuntaan lähetetty valo (eli gravitaatiokaivosta ulospäin nouseva valo) siirtyy punaiseksi; näitä kahta vaikutusta kutsutaan yhdessä gravitaatiotaajuussiirtymäksi.
Yleisemmin sanottuna massiivisen kappaleen lähellä tapahtuvat prosessit kulkevat hitaammin kuin kauempana tapahtuvat prosessit; tätä vaikutusta kutsutaan gravitaation aiheuttamaksi aikadilaatioksi.
Valon taipuminen ja gravitaation aikaviiveet
Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että valon reitti taipuu gravitaatiokentässä; massiivisen kappaleen ohi kulkeva valo taipuu kohti kyseistä kappaletta. Tämä vaikutus on vahvistettu havaitsemalla, että tähtien tai kaukana sijaitsevien kvasaarien valo taipuu, kun se ohittaa Auringon.
Valon poikkeutumiseen liittyy läheisesti gravitaation aikaviive (tai Shapiron viive), ilmiö, jonka mukaan valosignaalien kulkeminen gravitaatiokentän läpi kestää kauemmin kuin ilman kyseistä kenttää. Tätä ennustetta on testattu menestyksekkäästi lukuisissa testeissä.
Parametri γ kuvaa painovoiman vaikutusta avaruuden geometriaan.
Gravitaatioaallot
Gravitaatioaallot ovat aaltoja avaruusajan kaarevuudessa. Ne liikkuvat aaltoina, jotka etenevät lähteestä ulospäin. Einstein ennusti ne vuonna 1915 yleisen suhteellisuusteoriansa perusteella. Teoriassa gravitaatioaallot kuljettavat energiaa gravitaatiosäteilynä. Havaittavien gravitaatioaaltojen lähteitä voivat olla esimerkiksi valkeista kääpiöistä, neutronitähdistä tai mustista aukoista koostuvat kaksoistähtijärjestelmät. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatioaallot eivät voi kulkea valonnopeutta nopeammin.
Vuoden 1993 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Hulse-Taylorin kaksoistähtijärjestelmän mittauksista. Nämä mittaukset osoittivat, että gravitaatioaallot ovat muutakin kuin matemaattisia erityispiirteitä.
LIGO Scientific Collaboration ja Virgo Collaboration -ryhmät ilmoittivat 11. helmikuuta 2016 tehneensä ensimmäisen havainnon gravitaatioaalloista, jotka ovat peräisin sulautuvista mustista aukoista, käyttäen Advanced LIGO -ilmaisimia. Kesäkuun 15. päivänä 2016 ilmoitettiin toisesta havaintopaikasta, jossa havaittiin yhteen sulautuvista mustista aukoista peräisin olevia gravitaatioaaltoja. LIGO:n lisäksi rakenteilla on monia muita gravitaatioaaltohavaintopaikkoja (detektoreita).
Kaavamainen esitys massiivisen kappaleen pinnalta pakenevan valoaallon gravitaation aiheuttamasta punasiirtymästä.
Sinisellä esitetystä paikasta lähetetyn valon taipuminen pienen kappaleen (harmaalla) lähellä.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Pakonopeus
- Yleinen suhteellisuusteoria
- Newtonin liikkeen lait
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on painovoima?
V: Painovoima eli gravitaatio on yksi maailmankaikkeuden perusvoimista. Se on vetovoima tai vetovoima kahden massan omaavan kappaleen välillä.
K: Miten painovoima vaikuttaa jokapäiväiseen elämään?
V: Gravitaatio vaikuttaa jokapäiväiseen elämään siten, että se saa esineet putoamaan maahan kahden massan omaavan esineen välisen vetovoiman vuoksi.
K: Mitkä ovat Newtonin painovoimaa koskevat lait?
V: Newtonin lakien mukaan painovoima pitää aurinkokunnan ja useimmat suuret tähtitieteelliset kohteet yhdessä.
K: Mikä on Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria?
V: Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan painovoimalla on merkitystä maailmankaikkeudessa vaikuttamalla siihen, miten avaruus ja aika ovat vuorovaikutuksessa keskenään.
K: Onko olemassa todisteita siitä, mikä aiheuttaa painovoiman?
V: Jotkut fyysikot uskovat, että gravitaatio saattaa johtua gravitoneista, mutta tätä ei ole vielä vahvistettu.
K: Miten gravitaatio vaikuttaa avaruuteen ja aikaan?
V: Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatio vaikuttaa siihen, miten avaruus ja aika ovat vuorovaikutuksessa keskenään maailmankaikkeudessa.
Etsiä