Kun ajattelemme painovoimaa, ajattelemme sitä yleensä massojen välisenä voimana. Kun esimerkiksi astut vaa’alle, vaa’alla oleva luku edustaa Maan painovoiman vetovoimaa massaasi, joka antaa sinulle painon. On helppo kuvitella Auringon vetovoima, joka pitää planeetat kiertoradoillaan, tai mustan aukon vetovoima. Voimat on helppo ymmärtää työntöinä ja vetoina.
Mutta nyt ymmärrämme, että painovoima voimana on vain osa monimutkaisempaa ilmiötä, jota kuvataan yleisen suhteellisuusteorian avulla. Vaikka yleinen suhteellisuusteoria on tyylikäs teoria, se poikkeaa radikaalisti ajatuksesta painovoimasta voimana. Kuten Carl Sagan kerran sanoi: ”Poikkeukselliset väitteet vaativat poikkeuksellisia todisteita”, ja Einsteinin teoria on hyvin poikkeuksellinen väite. Kävi kuitenkin ilmi, että on olemassa useita poikkeuksellisia kokeita, jotka vahvistavat avaruuden ja ajan kaarevuuden.
Yleisen suhteellisuusteorian avain on siinä, että kaikki painovoimakentässä putoaa samalla nopeudella. Seiso kuun päällä ja pudota vasara ja sulka, ja ne osuvat pintaan samaan aikaan. Sama pätee mihin tahansa esineeseen riippumatta sen massasta tai fyysisestä rakenteesta, ja tämä tunnetaan nimellä ekvivalenssiperiaate.
Koska kaikki putoaa samalla tavalla massasta riippumatta, se tarkoittaa, että ilman jotakin ulkoista vertailupistettä vapaasti kelluva havaitsija kaukana gravitaatiolähteistä ja vapaasti putoava havaitsija massiivisen kappaleen gravitaatiokentässä kokevat kumpikin saman. Esimerkiksi avaruusasemalla olevat astronautit näyttävät leijuvan ilman painovoimaa. Todellisuudessa Maan vetovoima avaruusasemalla on lähes yhtä voimakas kuin maan pinnalla. Erona on se, että avaruusasema (ja kaikki siinä oleva) putoaa. Avaruusasema on kiertoradalla, mikä tarkoittaa, että se kirjaimellisesti putoaa maapallon ympäri.
Tämän leijumisen ja putoamisen vastaavuuden pohjalta Einstein kehitti teoriansa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa painovoima ei ole massojen välinen voima. Sen sijaan painovoima on vaikutus, joka syntyy avaruuden ja ajan vääristymisestä massan läsnä ollessa. Ilman siihen vaikuttavaa voimaa kappale liikkuu suoraviivaisesti. Jos piirrät paperille viivan ja sitten väännät tai taivutat paperia, viiva ei enää näytä suoralta. Samalla tavalla esineen suora reitti taipuu, kun avaruus ja aika taipuvat. Tämä selittää, miksi kaikki esineet putoavat samalla nopeudella. Painovoima vääristää avaruusaikaa tietyllä tavalla, joten kaikkien esineiden suorat radat taipuvat samalla tavalla Maan lähellä.
Millaisella kokeella voitaisiin siis mahdollisesti todistaa, että painovoima vääristää avaruusaikaa? Yksi juontaa juurensa siitä, että valo voi taipua lähellä olevasta massasta. Usein väitetään, että koska valolla ei ole massaa, sen ei pitäisi taipua kappaleen gravitaatiovoiman vaikutuksesta. Tämä ei ole aivan oikein. Koska valolla on energiaa ja koska erityissuhteellisuusteorian mukaan massa ja energia vastaavat toisiaan, Newtonin gravitaatioteoria ennustaa, että valo poikkeutuisi hieman läheisen massan vaikutuksesta. Ero on siinä, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa sen poikkeavan kaksi kertaa enemmän.
Efektin havainnoi ensimmäisen kerran Arthur Eddington vuonna 1919. Eddington matkusti Principen saarelle Länsi-Afrikan rannikolla kuvaamaan täydellistä auringonpimennystä. Hän oli ottanut kuvia samalta taivaan alueelta joskus aiemmin. Vertailemalla auringonpimennyskuvia ja aiempia kuvia samasta taivaasta Eddington pystyi osoittamaan, että tähtien näennäinen sijainti muuttui, kun Aurinko oli lähellä. Siirtymän määrä oli Einsteinin eikä Newtonin mukainen. Sittemmin olemme havainneet samanlaisen ilmiön, jossa kaukana olevien kvasaarien ja galaksien valo taipuu lähempänä olevien massojen vaikutuksesta. Tätä kutsutaan usein gravitaatiolinssiksi, ja sitä on käytetty galaksien massojen mittaamiseen ja jopa pimeän aineen vaikutusten havaitsemiseen.
Toinen todiste tunnetaan nimellä aikaviivekoe. Auringon massa vääntää avaruutta sen lähellä, joten Auringon lähellä kulkeva valo ei kulje täysin suorassa linjassa. Sen sijaan se kulkee hieman kaarevaa reittiä, joka on hieman pidempi. Tämä tarkoittaa sitä, että valo, joka tulee maapallon toisella puolella aurinkokuntaa sijaitsevalta planeetalta, saavuttaa meidät hiukan myöhemmin kuin muuten odottaisimme. Irwin Shapiro mittasi tämän viiveen ensimmäisen kerran 1960-luvun lopulla. Radiosignaalit kimposivat Maasta Venukseen, kun nämä kaksi planeettaa olivat lähes auringon vastakkaisilla puolilla. Signaalien edestakaisen matkan mitattu viive oli noin 200 mikrosekuntia, aivan kuten yleinen suhteellisuusteoria ennusti. Tämä vaikutus tunnetaan nykyään Shapiron aikaviiveenä, ja se tarkoittaa, että valon keskinopeus (matka-ajan perusteella määritettynä) on hieman hitaampi kuin (aina vakio) valon hetkellinen nopeus.
Kolmas vaikutus on gravitaatioaallot. Jos tähdet vääristävät avaruutta ympärillään, tähtien liikkeen kaksoissysteemissä pitäisi luoda aaltoja avaruusaikaan, samaan tapaan kuin sormen pyörittely vedessä voi luoda aaltoja veden pintaan. Kun painovoima-aallot säteilevät tähdistä poispäin, ne vievät osan kaksoissysteemin energiasta. Tämä tarkoittaa sitä, että tähdet lähentyvät vähitellen toisiaan, ja tämä ilmiö tunnetaan nimellä inspiroituminen. Kun kaksi tähteä inspiroituvat, niiden kiertoaika lyhenee, koska niiden kiertoradat pienenevät.
Säännöllisillä kaksoistähdillä tämä vaikutus on niin pieni, ettemme voi havaita sitä. Vuonna 1974 kaksi tähtitieteilijää (Hulse ja Taylor) löysi kuitenkin mielenkiintoisen pulsarin. Pulsarit ovat nopeasti pyöriviä neutronitähtiä, jotka sattuvat säteilemään radiopulsseja meidän suuntaamme. Pulsareiden pulssit ovat tyypillisesti hyvin, hyvin säännöllisiä. Hulse ja Taylor huomasivat, että tämän pulsarin pulssinopeus kiihtyi hieman ja hidastui sitten hieman säännöllisellä tahdilla. He osoittivat, että tämä vaihtelu johtui pulsarin liikkeestä sen kiertäessä tähteä. He pystyivät määrittämään pulsarin kiertoradan liikkeen hyvin tarkasti ja laskemaan sen kiertoajan sekunnin murto-osan tarkkuudella. Kun he tarkkailivat pulsariaan vuosien mittaan, he huomasivat, että sen kiertoaika lyheni vähitellen. Pulsari inspiroi gravitaatioaaltojen säteilyn ansiosta, aivan kuten ennustettiin.
Loppujen lopuksi on efekti, jota kutsutaan nimellä kehysveto. Olemme nähneet tämän vaikutuksen lähellä itse Maata. Koska Maapallo pyörii, se ei ainoastaan kaareuta avaruusaikaa massansa vuoksi, vaan se myös kiertää avaruusaikaa ympärillään pyörimisensä vuoksi. Tämä avaruusajan kiertyminen tunnetaan nimellä frame dragging. Vaikutus ei ole kovin suuri Maan lähellä, mutta sitä voidaan mitata Lense-Thirring-ilmiön avulla. Periaatteessa laitetaan pallomainen gyroskooppi kiertoradalle ja katsotaan, muuttuuko sen pyörimisakseli. Jos kehävetoa ei esiinny, gyroskoopin suunnan ei pitäisi muuttua. Jos kehävetoa esiintyy, avaruuden ja ajan spiraalimainen kierre saa gyroskoopin prekessoitumaan, ja sen orientaatio muuttuu hitaasti ajan myötä.
Olemme itse asiassa tehneet tämän kokeen Gravity Probe B -nimisellä satelliitilla, ja näet tulokset tästä kuvasta. Kuten näet, ne ovat hyvin yhteneväiset.
Kaikki nämä kokeet osoittavat, että painovoima ei ole pelkästään massojen välinen voima. Gravitaatio on sen sijaan avaruuden ja ajan vaikutus. Gravitaatio on sisäänrakennettu itse maailmankaikkeuden muotoon.
Ajattele tätä, kun seuraavan kerran astut vaa’alle.