Suhteellisuusteoria täyttää sata vuotta ja koko maailma viettää fysiikan vuotta.
Myös tämänviikkoisten Tieteen päivien ensimmäinen tilaisuus paneutuu
historiamme kuuluisimman teorian syntyyn ja merkitykseen.Suppean
suhteellisuusteorian olisi voinut keksiä joku muukin kuin Albert Einstein,
mutta yleinen suhteellisuusteoria olisi jäänyt kehittämättä.
Nykytietämykselläkin aineen, ajan ja avaruuden kytkeminen yhteen ottaisi koville.


Myös tämänviikkoisten Tieteen päivien ensimmäinen tilaisuus paneutuu
historiamme kuuluisimman teorian syntyyn ja merkitykseen.Suppean
suhteellisuusteorian olisi voinut keksiä joku muukin kuin Albert Einstein,
mutta yleinen suhteellisuusteoria olisi jäänyt kehittämättä.
Nykytietämykselläkin aineen, ajan ja avaruuden kytkeminen yhteen ottaisi koville.



Maapallo vetää pyöriessään mukanaan ympäröivää avaruutta. Avaruus seuraa sitä  kuin taikina vatkainta.

Ignazio Ciufolini Leccen yliopistosta ja Erricos Pavlis Nasasta osoittivat tämän viime syksynä tutkimalla kahden pienen satelliitin lentoratoja. He huomasivat, että satelliittien ratatasot kääntyvät pari metriä vuodessa maapallon pyörimisen suuntaan.

Havainto ei ollut odottamaton, sillä ilmiö on yksi ehkä kaikkien aikojen kuuluisimman tieteellisen teorian, Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian,  ennustuksista. Einstein esitti kumouksellisen teoriansa yhdeksänkymmentä vuotta sitten, mutta edelleen uudet todisteet sen paikkansapitävyydestä sävähdyttävät.

Suhteellisuusteorian mukaan avaruus ei ole luonnon tapahtu-mien eloton näyttämö vaan ottaa aktii-visesti osaa luonnon tragedioihin ja komedioihin. Avaruus käy jatkuvaa vuoropuhelua aineen ja energian kanssa, se elää ja muuttaa muotoaan näiden mukaan. Avaruuden muoto puolestaan kertoo hiukkasille ja kappaleille, miten niiden pitää liikkua.


Suoraan tieteen huipulle

Vuonna 1905 Einstein ilmestyi kuin tyhjästä tieteen etujoukkoihin, vieläpä monelle rintamalle yhtä aikaa. Hän oli silloin 26-vuotias, tuore perheenisä ja patenttitoimiston tunnollinen virkamies.

Einstein julkaisi ihmevuonnaan kolme tieteen historiaan jäänyttä tutkimusta. Kuuluisin niistä esitteli valoa, aikaa ja avaruutta koskevan uuden teorian, joka tunnetaan nimellä suppea suhteellisuusteoria. Kymmenen vuotta myöhemmin siitä kypsyi yleinen suhteellisuusteoria. Suppea teoria haastoi Isaac Newtonin yli kaksisataa vuotta erehtymättömänä pidetyn mekaniikan, yleinen puolestaan Newtonin painovoimalain.

Jo ennen kesäkuussa 1905 valmistunutta suhteellisuusteorian julkaisuaan Einstein oli samana vuonna ehtinyt luoda pohjan kvanttimekaniikalle, toiselle modernin fysiikan kivijalalle, osoittamalla sähkömagneettisen säteilyn koostuvan kvanteista.

Lisäksi hän oli osoittanut, että molekyylit ovat osa todellista luontoa. Tutkijoita oli askarruttanut niin sanottu Brownin liike eli pienten hiukkasten holtittoman tuntuinen poukkoilu nesteessä. Syynä on molekyylien törmäily hiukkasiin, Einstein selitti.


Kaikki uskoivat eetteriin

Suhteellisuusteorian synty liittyi läheisesti valoa koskeneisiin tutkimuksiin.

Valo varmistui aaltoilmiöksi, kun Thomas Young 1800-luvun alussa huomasi valon interferenssi-ilmiön. Valaistun kaksoisraon taakse seinään ilmestyy tummien ja valoisten raitojen sarja, joka johtuu siitä, että eri raoista tulevat aallot paikoin vahvistavat ja paikoin heikentävät toisiaan vaiheensa mukaisesti.

Mutta mikä valossa aaltoilee? Tähän 1800-luvun fyysikoilla oli patenttiratkaisu, maailmaneetteri, lyhyesti eetteri. Eetteriteorian kehittelijöitä olivat sellaiset eturivin fyysikot kuin englantilaiset lordi Kelvin ja elektronin löytäjä J. J. Thomson sekä sähkömagnetismin suuri auktoriteetti hollantilainen Hendrik Lorentz.

Eetterin ajateltiin olevan näkymätön, mauton ja hajuton, kaikkial-le tunkeutuva painoton väliaine, jossa valo etenee aaltoina samaan tapaan kuin ääni tavallisessa aineessa. Eetteristä oli tullut itsestäänselvyys. Jos mittauksista  saatiin tuloksia, jotka eivät vastanneet odotuksia, eetterin olemassaoloa ei epäilty vaan virhettä haettiin muualta.

Pikkuhiljaa fyysikoiden maailma alkoi kuitenkin näyttää kummalta, sillä eri ilmiöt vaativat eetteriltä erilaisia, usein ristiriitaisia ominaisuuksia. Eetterin piti olla äärimmäisen kovaa, jotta valoaaltojen suuri nopeus voitiin ymmärtää. Toisaalta sen piti olla nesteen kaltaista, kitkatonta ainetta, jotta se voisi tunkeutua läpinäkyvien aineiden sisään ja jotta kappaleet voisivat liikkua sen läpi vaivatta. 


Maxwell mullisti maailman

Jos eetterihypoteesi alkoikin Einsteinin päiviin tultaessa horjahdella, 1800-luvun kiistattomaksi saavutukseksi on osoittautunut sähkömagnetismi. Englantilainen Michael Faraday teki vuonna 1831 havainnon, jonka merkitystä tieteen ja tekniikan kehitykselle ei voi yliarvioida.

Faraday huomasi, että muuttuva magneettikenttä synnyttää johtimiin sähkövirran. Tämä induktioksi kutsuttu ilmiö osoitti lopullisesti, että aikaisemmin erillisinä pidetyt sähköiset ja magneettiset ilmiöt ovat jollakin tapaa yhteydessä toisiinsa. Skotlantilainen James Clerk Maxwell paljasti tämän liiton kaikki yksityiskohdat neljällä yhtälöllä, jotka hän kirjoitti vuonna 1873.

Maxwellin yhtälöiden tärkein ennustus olivat sähkömagneettiset aallot. Meille radion, television ja kännyköiden aikakauden ihmisille niiden olemassaoloa ei tarvitse vakuutella, mutta runsaat sata vuotta sitten asia oli upouusi. Kun Heinrich Hertz osoitti kokeellisesti vuonna 1888, että sähkömagneettisia aaltoja todellakin on olemassa, fyysikoiden silmien eteen avautui tuore, monimuotoinen ilmiömaailma.

Hertzin jatkotutkimukset osoittivat, että valokin on sähkömagneettista säteilyä. Maxwellin yhtälöt kuvaavat siis myös valoa.


Fyysikot häkeltyivät

Lentomatkaajille on tuttua, että tasaista nopeutta lentävässä koneessa lasiin voi  kaataa juomaa täsmälleen samoin kädenliikkein kuin lentokentän baarissa. Lentokoneen 600 kilometrin tuntinopeus ei vaikuta kaatamiseen millään tavalla.

Jo Galileo Galilei kiinnitti huomiota samaan asiaan, tosin paljon runollisempaa esimerkkiä käyttäen: Jos katselet maljassa olevia kultakaloja laivan kajuutassa, et voi niiden liikkeestä päätellä, onko laiva satamassa vai kyntääkö se merta tasaisella nopeudella. Kalat uiskentelevat molemmissa tapauksissa ihan samalla tavalla.
Newton muotoili asian tarkemmin sanomalla, että toistensa suhteen tasaisesti liikkuvissa “laboratorioissa“ mekaniikan lait voidaan esittää samoilla matemaattisilla kaavoilla. Ja kun lait ovat samat, ei toisaalta ole olemassa mitään fysiikan ilmiötä, josta pystyisi päättelemään, kummassa laboratoriossa ollaan, siis onko lentokone tai laiva liikkeessä vai levossa. Tätä sanotaan suhteellisuusperiaatteeksi.

Maxwellin teoria sai fyysikot häkeltymään: sähkömagneettiset il-miöt eivät noudattaneetkaan Newtonin mekaniikan suhteellisuusperiaatetta! Kun sitä sovellettiin Max-wellin yhtälöihin, ne muuttivat muotoaan siirryttäessä paikallaan olevasta laboratoriosta liikkuvaan laboratorioon.

Newtonin ja Maxwellin teorioiden ristiriita tarkoittaisi käytännössä esimerkiksi sitä, että digikamera toimisi eri tavalla taivaalla lentävässä kuin kiitoradalla lähtölupaa odottavassa lentokoneessa. 1800-luvun lopussa auktoriteettien eripura tuli esille, kun yritettiin määrittää eetterin nopeus maapallon suhteen.


Valo käyttäytyi kummasti

Avaruuden oletettiin olevan täynnä eetteriä, ja koska maapallo liikkuu, eetterin siis ajateltiin virtaavan sitä vastaan.

Jos soutaa jokea edestakaisen matkan virran suunnassa, siihen kuluu Newtonin mekaniikan ja nopeuksien suhteellisuuden mukaan enemmän aikaa kuin jos soutaisi samanpituisen edestakaisen matkan virran poikkisuunnassa. (Nopeuk-sien suhteellisuus tarkoittaa sitä, että veneen nopeus rannan suhteen saadaan laskemalla yhteen veneen nopeus veden suhteen ja veden nopeus rannan suhteen.)

Amerikkalainen Albert Michelson ja hänen yhteistyökumppaninsa Edward Morley päättivät tutkia, kuinka valonsäteet käyttäytyvät vastaavassa tilanteessa. Eetteri vastaa joen vettä, valonsäteet veneitä. Edestakaisten soutumatkojen välinen aikaero ilmenee aaltoliikkeessä siten, että alun perin samassa vaiheessa olleiden aaltojen välille syntyy vaihe-ero.

Ilmiön odotettiin olevan äärimmäisen pieni, noin yhden suhde sataan miljoonaan. Michelsonin kehittämällä herkällä interferenssimenetelmällä sen olisi kuitenkin pitänyt näkyä, mutta tutkijakaksikon suureksi pettymykseksi säteen kulkusuunta ei vaikuttanut lainkaan valon nopeuteen. Valo ei siis noudattanut Newtonin  suhteellisuusperiaatetta.


Kissa pöydälle uudelleen

Eikö suhteellisuus siis olekaan yleispätevä luonnonlaki? Kysymys vaivasi 1800-luvun lopun fyysikoita, ja myös Einstein pohti sitä. Hänen kriittinen katseensa kääntyi Newtonin mekaniikkaan, joka oli muutenkin alkanut herättää keskustelua.




Yksi suppean suhteellisuusteorian tuloksista on kappaleen massaan liittyvä uusi
energian muoto, kappaleen sisäinen energia. Maailman kuuluisin yhtälö E = mc2 kertoo tuon energian määrän.

Valon nopeus c on meidän mittoihimme sopivin yksiköin - metrein ja sekuntein - ilmaistuna hyvin suuri, 299 792 458 m/s, ja siksi pienessäkin kappaleessa on suunnaton määrä energiaa. Kilossa makkaraa on yhtä paljon energiaa kuin saadaan polttamalla kymmenen miljoonaa tynnyriä öljyä. Tämä ei kuitenkaan tarjoa ratkaisua omakotitalojen kasvaneisiin lämmityskustannuksiin, sillä makkaran atomien massan muuttamiseen energiaksi ei ole käytännön menetelmää.

Luonnossa energia voi muuttua muodosta toiseen, mutta sen kokonaismäärä säilyy. Einsteinin teorian mukaan myös kappaleitten massat pitää ottaa huomioon tässä nollasummapelissä. Hänen yhtälönsä kertoo massan ja energian vaihtosuhteen.

Massa voi muuttua esimerkiksi säteilyksi; tätä tapahtuu hiukkasten maailmassa jatkuvasti. Kun esimerkiksi elektroni ja sen positiivisesti varautunut antihiukkanen positroni kohtaavat, hiukkasten kaikki massa muuttuu sähkömagneettiseksi säteilyksi.

Massaa voi puolestaan syntyä liike-energiasta. Hiukkaskiihdyttimissä syntyy raskaita hiukkasia, kuten lähes kaksisataa kertaa protonin painoinen top-kvarkki, kun kaksi lähes valon nopeuteen kiihdytettyä protonia törmää toisiinsa. Einsteinin yhtälö kertoo, kuinka paljon energiaa protoneilla pitää vähintään olla, jotta top-kvarkki voisi syntyä.


Ernst Mach

Henri Poincaréta




Einstein kokosi palapelin
Einstein päätyi suppeaan suhteellisuusteoriaan

- ratkaistakseen Newtonin teorian suhteellisuuden ja Maxwellin teorian välisen ristiriidan,
- osoittaakseen eetterihypoteesin tarpeettomaksi sekä
- selvittääkseen kysymyksen samanaikaisuudesta ja absoluuttisen avaruuden ongelman.
Einstein sai kaikki palat loksahtamaan kohdalleen pitämällä kiinni kahdesta yksinkertaisesta periaatteesta.
- Ensinnäkin hän vaati, että kaikkien fysiikan lakien tulee olla samanlaisina voimassa toistensa suhteen tasaisesti liikkuvissa labo-rato-rioissa.
- Toinen periaate oli valonnopeuden invarianssi: valon nopeus ei riipu mittaajan nopeudesta, vaan valo liikkuu aina samalla nopeudella.

Näillä keinoin Einstein yhdisti saman suhteellisuuden piiriin kahden vuosisadan toisistaan erottamat liikkeen ääripäät, Newtonin mekaniikan kuvaamat hitaat liikkeet ja valon nopeudella tapahtuvan liikkeen, jota kuvaavat Maxwellin yhtälöt. Kun muut fyysikot etsivät ratkaisua eetterin ja aineen välisistä vuorovaikutuksista, Einstein heitti koko eetterin tieteenhistorian romukoppaan ja käänsi katseensa toiseen suuntaan, etäisyyksien ja aikavälien mittaamiseen.


Aika muuttui venyväksi

Einstein määritteli etäisyyden mittaamisen tarkoittavan kahden samanaikaisen tapahtuman välimatkan määrittämistä. Liikkuvan junan pituus saadaan selville merkitsemällä sen etu- ja takapään paikat saman-aikaisesti ja mittaamalla merkkien välinen etäisyys.




Einstein ei pitänyt saavutuksiaan vallankumouksina vaan painotti fysiikan kehityksen jatkuvuutta. Hän piti itseään vain yhtenä lenkkinä fyysikkojen pitkässä ketjussa.

Suppean suhteellisuusteorian kohdalla vaatimattomuus puolustaa paikkaansa, sillä  kaikki sen olennaiset elementit olivat jo jollakin tapaa tulleet esille muiden tutkijoiden töissä. Jos Einstein olisi keskittynyt vain patenttihakemuksiin, joku muu olisi varmasti keksinyt suppean suhteellisuusteorian.

Yleisen suhteellisuusteorian Einstein sen sijaan kehitti oman intuitiivisen näkemyksensä pohjalta ilman, että mitkään koetulokset olisivat juuri ohjanneet hänen ajatteluaan. Einstein uskoi intuitioonsa ja puski työn peräänantamattomalla sinnikkyydellä loppuun. Jos yleinen suhteellisuusteoria pitäisi keksiä nyt niistä muutamista havaintotuloksista, joita on olemassa, se voisi olla hyvin vaikeaa.







Matkat voivat kutistua
Aika ja avaruus ovat molemmat suhteellisia. Yhtä lailla kuin ajan venyminen Einsteinin lähtöoletuksista seuraa, että pituus voi lyhetä.

Hyvä esimerkki pituuden lyhenemisestä ovat kosmiset myonit. Ne ovat kaksisataa kertaa elektronin painoisia alkeishiukkasia, joita kosminen säteily synnyttää ilmakehän yläosissa. Myonin elinaika on pari sekunnin miljoonasosaa ja kosmisten myonien nopeus noin 98 % valon nopeudesta, joten ne ehtivät ennen hajoamistaan lentää puolisen kilometriä. Jos ne syntyvät parin kilometrin korkeudessa, voisi ajatella, ettei niitä tule maanpinnalle asti. Niitä kuitenkin ropisee niskaamme koko ajan! Selitys on matkan lyheneminen: se, mikä meille on kaksi kilometriä, on nopeasti liikkuvalle myonille vain puoli kilometriä.

Suhteellisuusteoria paljasti luonnosta tällaisia oudolta tuntuvia ilmiöitä, joita Newton ei osannut ottaa huomioon, koska ne eivät mitenkään tulleet esille hänen aikansa maailmassa. Ei Einsteinkaan niitä suoraan missään nähnyt, mutta Maxwellin yhtälöt antoivat hänelle ratkaisevan vihjeen. Poikkeamat Newtonin mekaniikasta ovat kuitenkin merkittäviä vain nopeuksien lähetessä valonnopeutta. Arkielämässä ei koskaan ole näin kiire, mutta esimerkiksi hiukkaskiihdyttimissä suhteellisuusteorian unohtaminen olisi kohtalokasta - kiihdyttimet eivät toimisi.
Suhteellisuusteorian huomioon-otto on välttämätöntä, kun tutkitaan atomin kokoluokan tai sitä pienempiä ilmiöitä. Kaikki hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia kuvaavat teo-riat perustuvat suppean suhteellisuusteorian mukaisiin liikelakeihin.

Hyvin lyhytikäisiä hiukkasia olisi vaikea edes havainnoida ilman- suhteellisuusteorian kuvaamia il-miöi-tä. Niiden aikaa pitää venyttää: annetaan niille suuri energia eli pistetään ne kovaan vauhtiin, niin ne elävät pitempään.


Kun putoaa pimeässä

Suppeassa suhteellisuusteoriassa tarkastellaan vain  toistensa suhteen tasaisella nopeudella liikkuvia kappaleita, mutta maailma on täynnä myös muunlaista liikettä. Me maapallon eläjät esimerkiksi pyörimme Maan mukana ja kierrämme Aurinkoa, ja painovoima vaikuttaa niin maanpinnalla kuin avaruuden galaksien kesken.
Miten luonnonlait pitäisi muotoilla, jotta ne pätisivät samanlaisina kaikissa oloissa? Einstein esitti itselleen tämän kysymyksen pian suppean suhteellisuusteorian valmistuttua.




Einsteinin teoria huipentui yhtälöön, joka yhdisti avaruuden rakenteen ja avaruudessa olevan massan ja energian toisiinsa. Itse hän ei koskaan ratkaissut yhtälöään tarkasti. Ensimmäinen tarkka ratkaisu tuli hänelle postissa vain muutama viikko hänen artikkelinsa ilmestymisen jälkeen. Lähettäjä oli saksalainen tähtitieteilijä Karl Schwartzschild, joka oli laskenut, miten pallomainen kappale kaareuttaa avaruuden.

Kiinnostavaa ratkaisussa oli, että jos pallo on hyvin tiheä, avaruus kaareutuu sen ympärillä niin voimakkaasti, että kaikki pallon pinnalta lähtevä palaa takaisin, myös valo. Pallo on siis pimeä, kun sitä katsoo riittävän kaukaa. Tällaista kohdetta kutsutaan mustaksi aukoksi. Maa olisi sellainen, jos sen säde ei olisi 6000 kilometriä vaan pari senttimetriä.

Mustat aukot kuuluvat niihin suhteellisuusteorian ennustuksiin, jotka ovat varmistuneet oikeiksi. Esimerkiksi galaksin NGC4261 keskustassa on aurinkokuntamme kokoisella alueella ainetta yli tuhannen miljoonan Auringon verran. Tämä on pystytty päättelemään siitä vauhdista, jolla ympäröivä näkyvä aine aluetta kiertää. Galaksissa M87 on saman kokoisella alueella kolmen miljardin Auringon massa. Molemmissa galakseissa lymyää musta aukko, ja nykyään uskotaan, että sellainen on useimpien galaksien keskustassa.






Maailmankaikkeus muuttuu
Vapaiden kappaleiden liikeradat määräytyvät avaruuden rakenteesta, sen kaarevuudesta. Tasaisessa avaruudessa, eli siellä missä painovoima ei vaikuta, vapaasti liikkuva kappale kulkee suoraa pitkin. Kaarevassa avaruudessa vapaan kappaleen rata on käyrä, ns. geodeettinen viiva. Avaruusalukset kiertävät Maata, koska Maa kaareuttaa ympärillään olevan avaruuden. Jos tältä radalta halutaan poiketa, tarvitaan voimaa.

Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa, miten kappaleet liikkuvat avaruudessa ja ajassa, mutta lisäksi se kertoo senkin, miten itse avaruus ja aika kehittyvät. Niin kauan kuin puhutaan gravitaatiosta, se on siis koko maailmankaikkeuden teoria.

Einstein huomasi odottamattoman asian: maailmankaikkeuden koko saattoi hänen teoriansa mukaan muuttua. Meitä, jotka tiedämme alkuräjähdysteorian, asia ei kummeksuta, mutta viime vuosisadan alussa mikään ei viitannut moiseen.

Einstein ei suurin surminkaan halunnut olla ennustamassa sellaista katastrofia, että painovoima kutistaisi maailman aikaa myöten rusinaksi. Hän halusi maailmankaikkeudesta vakaan, ja niinpä hän sujautti yhtälöönsä pienen lisäyksen, kosmologisen  vakion, joka sai asiat kohdalleen.


Kaikkeus yllätti kahdesti

Mutta maailmankaikkeus yllätti Einsteinin. 1920-luvun lopulla amerikkalainen Edwin Hubble havaitsi mittauksissaan, että maailmankaikkeus laajenee. Galaksit loittonevat meistä sitä nopeammin, mitä kauem-pana ne ovat. Tähän ei ole muuta selitystä kuin että tilaa syntyy koko ajan lisää kaikkialle avaruuteen. Einsteinia harmitti, että hän oli mennyt pelkästään omien ennakkokäsitystensä perusteella lisäämään yhtälöönsä kosmologisen vakion, jonka hän joutui nyt napsaisemaan siitä pois.




Yleisen suhteellisuusteorian kiehtova ennustus ovat gravitaatioaallot. Samalla tavalla kuin liikkuva sähkövaraus synnyttää sähkömagneettisia aaltoja, muutokset painovoiman lähteissä saavat avaruuden rakenteessa aikaan valon nopeudella etenevän aallon, joka kantaa mukanaan energiaa.

Gravitaatioaalloista saatiin ensimmäiset epäsuorat todisteet 1970-luvulla, kun erään kaksoispulsarin käyttäytymisestä voitiin päätellä sen menettävän energiaansa noin 1 025 watin teholla. Gravitaatioaaltojen suora havaitseminen ei kuitenkaan ole vielä onnistunut. Ilmeisesti lähistöllämme ei ole tapahtunut niin järeitä mullistuksia, että ne näkyisivät nykylaitteissa.

Hiljattain on otettu käyttöön useita aikaisempaa herkempiä mittalaitteita. Yksi niistä on Virgo Pisan lähellä Italiassa. Siinä lasersäde jaetaan kahteen osaan, jotka ohjataan toisiaan vastaan kohtisuorassa oleviin, kolmen kilometrin mittaisiin tyhjiöputkiin. Putkien päissä on erikoisvalmisteisia peilejä, joiden välillä säteet heijastelevat edestakaisin kaikkiaan 120 kilometrin matkan. Sen jälkeen säteet yhdistetään toisiinsa. Jos alueelle saapuu gravitaatioaalto, se vääristää avaruutta niin, että valonsäteiden kulkemat matkat eivät ole yhtä pitkät ja säteiden välille syntyy interferenssin avulla havaittava vaihe-ero.

Niinkin pienen eron kuin kymmenesmiljoonasosa atomin säteestä pitäisi Virgossa paljastua, mutta toistaiseksi avaruus on pysynyt Pisan lähistöllä rasvatyynenä.




Kompastui kvantteihin
Jos Einsteinin munauksista haluaa puhua, niin todellinen ökymoka oli, ettei Einstein uskonut kvanttimekaniikkaan. Hän itse laski kvanttimekaniikalle perustan vuonna 1905 esitellessään valokvantin käsitteen. Hän ei kuitenkaan koskaan hyväksynyt kvanttimekaniikan todennäköisyysluonnetta, eri vaihtoehtojen ennalta arvaamatonta toteutumista atomitason ilmiöissä.

Yleinen suhteellisuusteoria ei ole kvanttiteoria. Sen rajat tulevat vastaan mustan aukon ytimessä ja maailmankaikkeuden alkuhetkissä. Kun nimittäin aine pakkautuu hyvin pieneen tilaan, gravitaation kvantti-ilmiöt tulevat kuvaan mukaan. Kvanttitasolla avaruuden rakenne muuttuu; jotkut kuvaavat sitä sanalla vaahto. Toimivan teorian löytäminen näiden ilmiöiden kuvaamiseen on osoittautunut uskomattoman vaikeaksi.

Olemme samantapaisessa tilanteessa kuin Einstein suhteellisuusteorian keksiessään. Tiedämme, että luonnossa on gravitaation lisäksi kolme vuorovaikutustapaa, vahva ja heikko ydinvoima ja sähkömagneettinen voima. Näillä kolmella on kaikilla yhtenäisellä pohjalla oleva kvanttiteoria. Gravitaatio suorastaan huutaa samanlaista teoriaa.

Ehdokkaita on, mutta ilmeisesti oikea teoria odottaa vielä löytäjäänsä. Kuka nyt osaisi tehdä tuoreita, tarpeeksi yksinkertaisia kysymyksiä?


Jukka Maalampi on Jyväskylän  yliopiston fysiikan professori.
Hän esitelmöi suhteellisuusteoriasta Tieteen päivillä.

FYSIIKAN VUOSI: wyp2005.helsinki.fi  TIETEEN PÄIVÄT: http://www.tieteenpaivat.fi/

Kätevä sana on valunut moneen käyttöön.

Makea vesi kuuluu elämän perusedellytyksiin. Siksi tuntuu itsestään selvältä, että vesi-sana kuuluu suomen kielen vanhimpiin sanastokerroksiin.

Se ei kuitenkaan ole alun perin oma sana, vaan hyvin vanha laina indoeurooppalaisista kielistä, samaa juurta kuin saksan Wasser ja englannin water.

Suomensukuisissa kielissä on toinenkin vettä merkitsevä sana, jota edustaa esimerkiksi saamen čáhci, mutta sen vastine ei syystä tai toisesta ole säilynyt suomessa. Ehkäpä indoeurooppalainen tuontivesi on tuntunut muodikkaammalta ja käyttökelpoisemmalta.

Tarkemmin ajatellen vesi-sana on monimerkityksinen. Luonnon tavallisimman nesteen lisäksi se voi tarkoittaa muunkinlaisia nesteitä, kuten yhdyssanoissa hajuvesi, hiusvesi tai menovesi.

Vesiä voi erotella käsittelyn tai käyttötarkoituksen mukaan, vaikka Suomen oloissa juomavesi, kasteluvesi ja sammutusvesi ovatkin usein samaa tavaraa. Sade- ja sulamisvesistä tulee varsinkin asutuskeskuksissa viemäröitävää hulevettä. Murteissa hulevesi tarkoittaa tulvaa tai muuta väljää vettä, esimerkiksi sellaista, jota nousee sopivilla säillä jään päälle.

Luonnon osana vesi voi viitata erilaisiin vedenkokoumiin, etenkin järviin. Suomen peruskartasta löytyy satoja vesi-loppuisia paikannimiä, joista useimmat ovat vesistönnimiä, kuten Haukivesi, Hiidenvesi tai Puulavesi.

Useat vesien rannalla olevat asutuskeskukset ovat saaneet nimensä vesistön mukaan. Vesi-sana ei enää suoranaisesti viittaa veteen, kun puhutaan vaikkapa Petäjäveden kirkosta tai Ruoveden pappilasta.

Vesi-sanasta on aikojen kuluessa muodostettu valtava määrä johdoksia ja yhdyssanoja. Näistä suuri osa on vanhoja kansanomaisia murresanoja, kuten vetelä, vetinen, vetistää ja vettyä.

Vesikosta on muistona enää nimi, sillä tämä vesien äärellä ja vedessä viihtyvä näätäeläin on hävinnyt Suomesta 1900-luvun kuluessa. Myyttisiä veden asukkaita ovat olleet vetehinen ja vesu eli vesikyy, jotka mainitaan myös Kalevalassa.

Antiikista 1700-luvun loppupuolelle asti uskottiin veden olevan yksi maailman alkuaineista. Sitten selvisi, että se onkin vedyn ja hapen yhdiste. Oppitekoinen uudissana vety tuli suomen kielessä tarpeelliseksi kuitenkin vasta 1800-luvun puolimaissa, kun luonnontieteistä alettiin puhua ja kirjoittaa suomeksi.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehden numerossa 11/2018

Hirmun anatomia on selvinnyt sääsatelliittien mikroaaltoluotaimilla. Ne näkevät pilvien läpi myrskyn ytimeen ja paljastavat ukkospatsaat, joista myrsky saa vauhtinsa. Kuva: Nasa/Trimm

Pyörivät tuulet imevät energiansa veden lämmöstä.

Trooppiset rajuilmat tappoivat vuosina 1995–2016 lähes 244 000 ihmistä, koettelivat muuten 750 miljoonaa ihmistä ja tuhosivat omaisuutta runsaan 1 000 miljardin dollarin arvosta, enemmän kuin mitkään muut mullistukset, esimerkiksi tulvat tai maanjäristykset.

Näin arvioi maailman luonnonkatastrofeja tilastoiva belgialainen Cred-tutkimuslaitos raporteissaan, joissa se laskee katastrofien pitkän aikavälin inhimillistä hintaa.

Myrskytuhot ovat panneet myrskytutkijat ahtaalle. Kaikki tahtovat tietää, mistä näitä rajuilmoja tulee. Lietsooko niitä ilmastonmuutos?

Lämpö alkaa tuntua

Näihin asti tutkijapiireissä on ollut vallalla käsitys, jonka mukaan hirmuista ei voi syyttää ilmastonmuutosta vielä kotvaan. Se alkaa voimistaa myrskyjä vasta pitkällä aikajänteellä.

Nyt hurjimpia myrskyjä on kuitenkin alettu kytkeä ilmaston lämpenemiseen. Esimerkiksi alkusyksystä 2017 Maailman ilmatieteen järjestö WMO arvioi, että lämpeneminen todennäköisesti rankensi elokuussa Houstonin hukuttaneen Harvey-myrskyn sateita.

Jotkut tutkijat ovat puhuneet kytköksistä jo vuosia.

Esimerkiksi Kerry Emanuel, Massachusettsin teknisen yliopiston myrskyspesialisti, laski 2005, Katrinan runnottua New Orleansia, että Atlantin ja Tyynenmeren myrskyt ovat nykyään 60 prosenttia voimakkaampia kuin 1970-luvulla.

Keväällä 2013 Nils Bohr -instituutin Aslak Grinsted raportoi, että lämpenemiskehitys vaikuttaa myrskyissä syntyviin tulva-aaltoihin.

Kun maapallon keskilämpötila nousee 0,4 astetta, myrskytulvien määrä tuplaantuu. Tämä rajapyykki on jo ohitettu. Kun lämpötila nousee kaksi astetta, tulvat kymmenkertaistuvat. Silloin superrajuja myrskyjä hyökyy Atlantilta joka toinen vuosi. Tähän asti niitä on nähty kerran 20 vuodessa.

Meri lämpenee otollisesti

Tärkein myrskyjä ruokkiva muutosvoima löytyy sieltä, mistä myrskyt ammentavat energiansa ja mihin ilmastonmuutoksen nähdään vaikuttavan: meriveden lämpötilasta. Se kehittyy myrskyille otolliseen suuntaan.

Esimerkiksi Meksikonlahdella, hurrikaanien voimanpesässä, on mitattu jopa pari astetta tavallista korkeampia meriveden lämpötiloja.

Kun Haiyan, yksi kaikkien aikojen kovimmista taifuuneista, marraskuussa 2013 jätti kaksi miljoonaa filippiiniläistä kodittomiksi, meri oli myrskyn syntyalueella vielä sadan metrin syvyydessä kolme astetta normaalia lämpimämpi.

Meressä tapahtuu muutakin epäedullista: pinta nousee. Se kasvattaa myrskyjen nostattamia tulva-aaltoja, jotka usein saavat aikaan pahinta tuhoa.

 

Näin hirmumyrsky kehittyy

Hirmun syntymekanismi on sama kaikkialla, vaikka nimitykset vaihtelevat. Atlantilla ja Amerikan puoleisella Tyynellämerellä puhutaan hurrikaaneista, Aasian puolella taifuuneista ja Intian valtamerellä ja Oseaniassa sykloneista. Grafiikka: Mikko Väyrynen

 

Trooppisia hirmumyrskyjä syntyy päiväntasaajan molemmin puolin 5. ja 25. leveyspiirin välillä. Päiväntasaajalla niitä ei muodostu, sillä sieltä puuttuu coriolisvoima, jota myrsky tarvitsee pyörimiseensä

Kehittyäkseen myrsky vaatii tietynlaiset olot. Suursäätilan pitää olla laajalla alueella epävakaa ja ukkossateinen ja meriveden vähintään 26 asteista 50 metrin syvyydeltä. Lisäksi tuulien pitää puhaltaa heikosti 12 kilometrin korkeuteen asti. Voimakkaissa virtauksissa myrskynpoikanen hajoaa.

1. Merestä nousee lämmintä, kosteaa ilmaa. Se kohoaa nopeas­ti ja tiivistyy ukkospilviksi, jotka kohoavat 10–15 kilometrin korkeuteen. Samalla vapautuu lämpöä, mikä ruokkii matalapainetta.

2. Fysiikan säilymislakien mukaan ylös kohoavan ilman tilalle virtaa ympäriltä korvausilmaa, jolloin ilmanpaine alueella laskee.

3. Lämpöä kohoaa ylös yhä laajemmalti, ukkospilvien jono venyy, ja ilman virtausliikkeet voimistuvat. Ilmanpaine laskee lisää, ja alueelle syntyy liikkuva matalapaineen keskus.

4. Paine-ero tuottaa voiman, joka alkaa pyörittää tuulia kiihtyvää vauhtia. Maan pyörimisliikkeestä aiheutuva coriolisvoima kiertää niitä spiraalin lailla vastapäivään kohti matalan keskusta. Kun tuulen sekuntinopeus nousee yli 33 metrin, on syntynyt trooppinen hirmumyrsky.

Hurjimmissa myrskyissä tuulen nopeus nousee 70–90 metriin sekunnissa. Pyörteen halkaisija vaihtelee puolestaan 400 kilometristä 1 000 kilometriin.

5. Myrskyn voimistuessa sen ylle muodostuu korkeapaine, joka pyörii tuulia vastaan. Laskeva ilmavirtaus kuivattaa ja lämmittää keskusta, ja se seestyy myrskynsilmäksi.

6. Silmää kiertävät tuulet sekoittavat tehokkaasti meren pintaa 50–100 metrin syvyydeltä. Kun lämmintä vettä painuu syvyyksiin ja viileää kohoaa pintaan, ”lämpövoimala” jäähtyy ja hitaasti liikkuva myrsky voi heikentyä. Nopeaan myrskyyn jarru ei ehdi vaikuttaa, ja silloin kumpuava vesi voi loppumatkasta muuttua vaaralliseksi.

7. Kun ranta lähestyy ja meri madaltuu, tuulet pakkaavat vettä myrskyn tielle tulva-aalloksi, joka syöksyy myrskyn mukana maalle tuhoisin seurauksin.

Maalle saavuttuaan myrsky laantuu, kun se ei enää saa käyttövoimaa meren lämmöstä.

 

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014. Päivitetty 12.9.2018.