Gravity | yksi maailmankaikkeuden perusvoimista

Arjen painovoima

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.

1. Esineen paino on muuttuva, mutta sen massa on vakio.
2. 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