Suhteellisuusteoria käynnisti Luma-viikon

Etelä-Tapiolan lukion Luma-viikko käynnistyi maanantaina 3.11., kun kosmologi Syksy Räsänen luennoi etisläisille Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella. Hän käsitteli luennolla kattavasti monia fysiikan teorioita ja maailmankaikkeuden ilmiöitä. Luento eteni Newtonin mekaniikasta modernin fysiikan tuoreimpiin ongelmiin asti.

Räsänen on tullut tunnetuksi kansantajuisista kosmologiaa käsittelevistä blogeistaan ja kolumneistaan, joita hän on kirjoittanut muun muassa Helsingin Sanomiin. 2000-luvun alkupuolella hän väitteli tohtoriksi ja toimi tutkijana Oxfordissa, Cernissä ja Geneven yliopistossa. Nykyään hän on teoreettisen fysiikan lehtori Helsingin yliopistossa.

Etelä-Tapiolan lukiosta luennolle pääsi rajoitetusta paikkojen määrästä huolimatta mukava joukko innokkaita opiskelijoita. Paikalle saapui kuulijoita lähialueen lukioiden lisäksi myös yläkouluista. Moni lukioiän jo ohittanutkaan ei voinut jättää luentoa väliin. Luentosali täyttyikin nopeasti ovien avauduttua.

Voimasta geometriaan

Räsänen aloitti kertomalla lyhyesti Newtonin mekaniikasta. Hän kiinnitti huomion siihen, että Newtonin painovoimalain ja dynamiikan peruslain kaavoissa esiintyy molemmissa massa, mutta tälle yhteydelle ei löydy mitään hyvää selitystä. Hän kertoi myös, että jo vuonna 1859 huomattiin Newtonin teorian laskevan Merkuriuksen radan väärin.

Tästä päästiin Albert Einsteinin kehittämään suhteellisuusteoriaan, joka korjasi fysiikan teoriat tarkemmiksi ja onnistui selittämään Merkuriuksen radan valon taipumisella. Einsteinin teoriassa painovoima eli gravitaatio ei ole voima, vaan seurausta aika-avaruuden kaareutumisesta. Räsänen havainnollisti tätä piirroksella, jossa avaruus oli kuvattu planeetan kohdalla alaspäin kaartuvana verkkona. Suhteellisuusteoria mahdollisti koko maailmankaikkeuden käsittelemisen ja ensimmäisten kosmologisten mallien luomisen.

 

Maailmankaikkeus laajentuu

Seuraavaksi luennolla käsiteltiinkin siis maailmankaikkeuden laajentumista. Maailmankaikkeuden laajentuminen havaittiin vuonna 1929. Edwin Hubble huomasi silloin, että mitä kauempana galaksi on, sitä nopeammin se näyttäisi etääntyvän havaitsijasta. Tästä voidaan päätellä, että avaruus laajenee.

Jos avaruus laajenee, voidaan olettaa, että menneisyydessä aineen tiheys on ollut suurempi. Räsäsen mukaan on laskettu, että 14 miljardia vuotta sitten tiheys olisi ollut ääretön: tätä kutsutaan alkuräjähdykseksi.

Räsänen kertoi, että usein kysytään, mitä oli ennen alkuräjähdystä. Tämä on hänen mielestään kuitenkin järjetön kysymys, sillä mennäänpä alkuräjähdyksen hetkestä ajassa mihin suuntaan tahansa, päädytään kauemmaksi alkuräjähdyksestä eli alkuräjähdyksen jälkeiseen aikaan. Ilmaisu ”ennen alkuräjähdystä” on yhtä mieletön kuin ”pohjoisnavalta pohjoiseen”, sillä kaikki suunnat pohjoisnavalta ovat etelään.

 

Havaintojen kautta täsmäkosmologiaan

Seuraavaksi hypättiin 1990-luvulle. Tekniikan edistyksen ansiosta havaintojen määrä avaruudesta nousi merkittävästi. Sen ansiosta kosmologiassa tapahtui suurin murros sitten maailmankaikkeuden laajentumisen löytämisen. Havaintojen tarkkuuden parantuessa alettiin puhua täsmäkosmologista.

Räsänen näytti yleisölle 1990-luvun lopussa ja 2000-luvun alussa otettuja kuvia maailmankaikkeuden taustasäteilystä. Taustasäteily on syntynyt miljardeja vuosia sitten, ja se on jäänne maailmankaikkeuden alkuvaiheilta. Hän näytti myös tietokonesimulaatioita siitä, miten maailmankaikkeuden rakenteet ovat syntyneet.

 

Kohti laajentumisen kiihtymistä

Vuonna 2020 avaruuteen laukaistaan Euclid-luotain, jossa Helsingin yliopiston fysiikan laitos on mukana. Se tutkii pimeää energiaa, pimeää ainetta, galaksien muotoa ja maailmankaikkeuden laajentumista.

Nykyään tiedetään, että maailmankaikkeuden laajentuminen kiihtyy. Kolme amerikkalaista tiedemiestä sai fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2011 löydettyään kiihtyvän laajentumisen tutkimalla kaukaisia supernovia. Ei kuitenkaan tiedetä, miksi laajentuminen kiihtyy.

Räsänen tarjosi tälle ilmiölle kolme mahdollista selitystä. Suosituin selitys on pimeä energia, joka työntäisi galaksijoukkoja poispäin toisistaan. Toinen selitys on se, ettei suhteellisuusteoria pädekään suurilla etäisyyksillä.

Kolmas vaihtoehto on se, jota Räsänen on itse tutkinut paljon. Helsingin Sanomista selviää, että hän on etsinyt laajenemisen syytä maailmankaikkeuden keskelle muodostuneista tyhjemmistä alueista eli ”onkaloista”. Luennollaan hän kuitenkin sivusi tätä omaa teoriaansa vain lyhyesti.

Esityksensä lopuksi Räsänen kertoi vielä lyhyesti suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistämisestä, joka saattaa olla seuraava suuri haaste fysiikassa.

Luennolla oli helppoa huomata, että Räsänen todella tietää, mistä puhuu. Luennon kattavuus ja tiedon määrä takasivat, että jokainen kuulija oppi varmasti jotain uutta riippumatta aikaisempien tietojen tasosta.

Teksti ja kuva Juuso Heikkilä 14B