Mitä suhteellisuusteoria teoriassa tarkoittaa?

Dosentti Hannu Kurki-Suonio, Helsingin yliopiston fysiikan osasto:

Suhteellisuusteorian perusta on, että aika ja avaruus eivät ole kaksi erillistä asiaa vaan ne muodostavat kokonaisuuden, aika-avaruuden. Tästä seuraa, että asioiden todellinen luonne ei ole kolmiulotteinen vaan neliulotteinen. Kun liikumme aika-avaruudessa, liikumme ajassa ja paikassa. Suhteellisuus-käsite viittaa etenkin siihen, että aika ja tapahtumien samanaikaisuus on suhteellista. Tulee mahdolliseksi, että yhden mielestä kaksi toisistaan kaukana tapahtuvaa asiaa tapahtuu yhtä aikaa, mutta toiselle ne tapahtuvatkin eriaikaisesti, koska hän liikkuu eri nopeudella.

Suppean eli erityisen suhteellisuusteorian (Albert Einstein, 1905) toimivuus on pystytty todentamaan varsin hyvin kokeellisesti. Keskeistä on myös, ettei valon nopeutta voi ylittää. Tämä merkitsee käytännössä, ettei ajassa voi kulkea taaksepäin.

Kuva: Mostphotos

Yleinen suhteellisuusteoria (Einstein, 1915) ottaa lisäksi huomioon painovoiman, mikä puuttuu suppeasta suhteellisuusteoriasta. Sen mukaan painovoiman todellinen luonne on aika-avaruuden kaareutuminen. Yleisen suhteellisuusteorian ennusteet poikkeavat aikaisemmasta Newtonin painovoimateoriasta sitä enemmän, mitä voimakkaammista painovoimakentistä on kyse. Lisäksi teoria tulee merkittäväksi erittäin suurilla etäisyyksillä ja mittakaavoilla, vaikka painovoimakenttä olisi heikompikin.

Omassa aurinkokunnassamme painovoima on melko heikkoa. Täällä todennettuja, yleisen suhteellisuusteorian ennustamia ilmiöitä ovat valon taipuminen sen kulkiessa läheltä aurinkoa, planeettojen ratojen kiertyminen ja ajan hidastuminen painovoimakentässä.

Tarkempi todentaminen on ollut vaikeaa, koska voimakkaita painovoimakenttiä esiintyy kaukana aurinkokuntamme ulkopuolella, neutronitähtien ja mustien aukkojen ympäristöissä. Viime vuosina on päästy tässä eteenpäin. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan supermassiivisten mustien aukkojen törmäys aiheuttaa gravitaatioaaltoja, jotka ovat aika-avaruuden kaarevuuden värähtelyjä. Niitä pystyttiin ensimmäistä kertaa havaitsemaan vuonna 2015.

Myös radioteleskooppien havainnoista laskemalla koostettu kuva mustan aukon varjosta sopii yleiseen suhteellisuusteoriaan. Se julkaistiin vuonna 2019.

Sen sijaan 1990-luvun lopulla havaittu maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtyminen oli yllätys. Yleisen suhteellisuusteorian ennusteissa laajenemisen odotettiin hidastuvan, koska painovoiman vetovoima pyrkisi siihen. Ratkaisuna ristiriitaan luotiin uusi hypoteesi, energiakenttä, joka täyttäisi koko maailmankaikkeuden ja jolla olisi negatiivinen paine. Nimeksi annettiin pimeä energia.  Se synnyttäisi hylkivää painovoimaa, joka on yleisen suhteellisuusteorian mukaan mahdollista ja selittäisi kiihtyvää laajentumista.

Muita havaintoja pimeästä energiasta ei ole. Voidaan kysyä, onko sitä olemassa. Vai onko niin, ettei yleinen suhteellisuusteoria toimi suurilla etäisyyksillä?

Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Euclid-satelliitti lähtee vuonna 2022 ottamaan asiasta selvää. Mittauksia tehdään kuusi vuotta. Ensimmäiset analyysit saadaan 2020-luvun puolivälissä.

Keskeisin tutkimuskohde on maailmankaikkeuden laajenemishistoria. Milloin laajenemisen kiihtyminen alkoi? Miten galaksit ovat jakautuneet avaruuteen? Näiden tietojen avulla pyritään määrittelemään muun muassa pimeän energian tilanyhtälö: miten siihen liittyvä energiatiheys ja paine riippuvat toisistaan ja miten ne ovat käyttäytyneet ajan myötä. Tai ehkä selviää, että hypoteesi pimeästä energiasta on väärä ja yleisen suhteellisuusteorian painovoimateoriaa pitää korjata.