Albert Einstein

Einstein oli taas oikeassa: aika-avaruus on symmetrinen

Ti, 03/19/2019 - 15:52 By Markus Hotakainen
Valon nopeuden mittaamista eri suunnissa

Albert Einsteinin suppean suhteellisuusteorian peruslähtökohtia on, että  valon nopeus on aina ja kaikkialla sekä kaikissa suunnissa sama. Kvanttigravitaatiota koskevien teoreettisten mallien mukaan on kuitenkin mahdollista, että hiukkasmaailmassa nopeusrajoitusta ei noudatetakaan niin orjallisesti.

Toistaiseksi kvanttiylinopeuksista ei ole päästy sakottamaan, sillä kokeissa ei ole havaittu minkäänlaisia eroja. Saksalaisessa PTB-tutkimuslaitoksessa (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) on aika-avaruuden symmetriaa testattu optisilla ytterbium-atomikelloilla, joilla tarkkuus saatiin kasvatettua sata kertaa aiempia kokeita suuremmaksi.

Kahden ytterbiumkellon välinen mittavirhe kasvaa miljardissa vuodessa korkeintaan sekunniksi, joten niiden avulla oli mahdollista mitata äärimmäisen pieniä poikkeamia ytterbiumionien elektronien liikkeessä. Kokeessa elektronit liikkuivat aika-avaruuden suhteen eri suuntiin. Ellei aika-avaruus olisi symmetrinen, elektronien nopeuksissa pitäisi näkyä pieni ero.

Ensimmäinen valon nopeuden vakioisuuteen liittyvä merkittävä koe tehtiin jo vuonna 1887, kun Albert Michelson ja Edward Morley yrittivät mitata avaruuden täyttävän eetterin vaikutuksen valon kulkuun. Tuolloin oletettiin, että valo ja kaikki muukin sähkömagneettinen säteily vaatii edetäkseen väliaineen samaan tapaan kuin ääni. Koetulos oli yllätys: valon nopeus on sama kaikissa suunnissa eikä mitään eetteriä ole olemassa. Koetulos oli yksi Einsteinin lähtökohdista hänen kehitellessään suhteellisuusteoriaansa.

Hendrik Lorentzin mukaan Lorentzin symmetriaksi kutsuttu aika-avaruuden ominaisuus on siitä lähtien ollut toistuvien kokeiden kohteena. Pitääkö se todella paikkansa aina ja kaikkialla, ja liikkuvatko myös kvanttimaailman hiukkaset täsmälleen samalla nopeudella kaikkiin suuntiin?

Tuoreimmassa kokeessa käytettyjen kellojen tarkkuus perustuu yksittäisten ytterbiumionien värähtelytaajuuteen. Ionien perustilassa elektronien aaltofunktio on pallosymmetrinen, mutta virittyneessä tilassa se on pitkänomainen eli elektronit liikkuvat pääosin tietyssä suunnassa. Elektronien liikesuuntaa voidaan hallita kellon sisäisen magneettikentän avulla, joten sijoittamalla kellot toistensa suhteen sopivaan asentoon elektronit saadaan liikkumaan toisiaan vastaan kohtisuoriin suuntiin.

Kellot oli asennettu laboratoriossa kiinteälle alustalle, joka pyöri Maan mukana tähtien suhteen yhden kierroksen 23,9345 tunnissa. Jos elektronien nopeudet olisivat riippuvaisia niiden kulkusuunnasta, kahden kellon näyttämissä ajoissa olisi pitänyt näkyä jaksottainen vaihtelu, joka vastaisi Maan pyörimisliikettä. Teknisten virhelähteiden eliminoimiseksi ytterbiumkelloja vertailtiin yli tuhannen tunnin eli lähes puolentoista kuukauden ajan.

Mittaustarkkuuden rajoissa kellojen avulla mitatuissa elektronien nopeuksissa ei kuitenkaan havaittu minkäänlaista vaihtelua. Ytterbiumionien värähtelytaajuuksien eron ylärajaksi todettiin 3 x 1018, mikä osoitti kellojen olevan oletettuakin tarkempia. Aikaero kasvaisi sekunnin mittaiseksi vasta kymmenessä miljardissa vuodessa.

Lorentzin symmetria pätee ja Albert Einsteinin todettiin jälleen kerran olleen oikeassa.

Symmetriakokeesta kerrottiin PTB-laitoksen kotisivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Tutkijat aikovat testata Einsteinin teoriaa mustilla aukoilla

Ke, 04/18/2018 - 15:21 By Markus Hotakainen

Yksi Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennusteista oli mustat aukot. Se ei kuitenkaan ole ainoa gravitaatioteoria, jonka mukaan niitä voi syntyä.

Mustien aukkojen olemassaolo on jokseenkin kiistatonta, sillä niiden törmäyksissä syntyneitä gravitaatioaaltoja on onnistuttu havaitsemaan. Sähkömagneettiseen säteilyyn perustuvia suoria havaintoja ei silti ole vieläkään pystytty tekemään.

Siksi ei ole täyttä varmuutta, ovatko avaruuden mustat aukot "einsteinilaisia" vai jonkin vaihtoehtoisen gravitaatioteorian mukaisia olioita.

Mustaan aukkoon syöksyvän aineen fotoneista eli valohiukkasista osa pääsee karkuun, mistä on seurauksena, että musta aukko saa aikaan eräänlaisen "varjon", joka erottuu taustataivasta vasten. Varjon koko ja muoto riippuvat mustan aukon ominaisuuksista ja gravitaatioteoriasta, jonka mukaisia sen ominaisuudet ovat.

BlackHoleCam-projektin tutkijat pyrkivät selvittämään, miten mustien aukkojen todellinen luonne pystyttäisiin käytännössä tunnistamaan niiden heittämän varjon perusteella. He ovat mallintaneet Linnunradan keskuksessa sijaitsevaa supermassiivista mustaa aukkoa Sagittarius A* sekä suhteellisuusteorian että säieteorian mukaisilla laskelmilla.

Kuvan "Kerr"-versio on Einsteinin teorian ja "Dilaton" säieteorian mukaisen mustan aukon aiheuttama varjo. Vasemmanpuoleiset kuvat ovat perussimulaatioita, oikeanpuoleisissa on otettu huomioon havainto-olosuhteiden vaikutus syntyvään kuvaan.

Oikeasti tällaisia kuvia ei vielä saada otettua edes Linnunradan keskellä olevasta supermassiivisesta mustasta aukosta, mutta kansainvälisen Event Horizon Telescope -hankkeen tavoitteena on onnistua siinä lähivuosina.

Mallinnuksessa laskettiin, mitä tapahtuu aineen syöksyessä kahteen erilaiseen mustaan aukkoon ja millaista säteilyä se lähettää juuri ennen katoamistaan.

"Saadaksemme näkyviin mustien aukkojen eroavaisuuksien vaikutukset teimme realistiset simulaatiot kertymäkiekoista lähes identtisillä alkuarvoilla. Se vaati useiden kuukausien laskenta-ajan Instituutin LOEWE-supertietokoneella", kertoo tutkimusta johtanut Yosuke Mizuno.

Simulaatioissa tarkasteltiin myös havaintoihin käytettävien radioteleskooppien erotuskyvyn ja havainto-olosuhteiden vaikutusta lopputulokseen. Tutkijoiden yllätykseksi näyttää siltä, että "vale-einsteinilaisia" mustia aukkoja on vaikea erottaa tavallisista mustista aukoista.

Tulos tarkoittaa sitä, että Event Horizon Telescope -hankkeessa on kehitettävä uudenlaisia analyysimenetelmiä, jos tavoitteena on päästä selvyyteen mustien aukkojen taustalla olevasta gravitaatioteoriasta.

"Vaikka uskommekin, että suhteellisuusteoria on oikea vaihtoehto, tutkijoina meidän on edettävä avoimin mielin", toteaa Luciano Rezzolla.

Simulaatiosta kerrottiin Radioastronomian Max Planck -instituutin uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Astronomy -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Fromm/Younsi/Mizuno/Rezzolla

Sattuuhan sitä paremmissakin (tiede)piireissä – osa 1

Pe, 03/23/2018 - 18:17 By Markus Hotakainen

Viime päivinä on mediassa ja varmasti myös akateemisissa kahvipöytäkeskusteluissa naureskeltu kosmologian professori Peter Dunsbylle, joka äskettäin löysi ”hyvin kirkkaan kohteen Trifidi- ja Laguunisumujen lähistöltä”.

Hätäpäissään professori ehätti viestittää siitä netin välityksellä kollegoilleen ja kehotti muitakin tarkkailemaan löytöään, kunnes hyvin pian huomasi itsekin bonganneensa taivaalta planeetta Marsin.

Sattuuhan näitä eikä kosmologian professorilta voi edellyttää tähtitaivaan yksityiskohtien tarkkaa tuntemusta, kun varsinaisena tutkimuskohteena on koko maailmankaikkeus. Tai pitäisi voida, mutta näemmä ei.

Tieteellisen tutkimuksen yksi keskeinen lähtökohta on kyseenalaistaminen, niin havaintojen kuin teorioidenkin. Joskus se vain innostuksen huumassa unohtuu. Ja siitä sitten seuraa näitä hassuja löytöjä, jo aiemmin tehtyjä keksintöjä ja tuulesta temmattuja väitteitä.

Hypoteesit on tietenkin paljon helpompi osoittaa vääriksi kuin oikeiksi, mutta vääriksi osoittautuneet hypoteesitkin viitoittavat usein tietä kohti sitä oikeaa tai ainakin parempaa teoriaa.

Kun Albert Einstein kehitti vähän yli 100 vuotta sitten yleisen suhteellisuusteorian, hän joutui lisäämään yhtälöihinsä niin sanotun kosmologisen vakion, hihasta vedetyn poistovoiman. Se piti staattiseksi mielletyn maailmankaikkeuden kasassa, sillä gravitaatio olisi muuten saanut kosmoksen luhistumaan kasaan.

1920-lopulla todettiin, että maailmankaikkeus ei olekaan staattinen, ikuisesti samanlaisena pysyvä, vaan se laajenee. Kosmologista vakiota ei enää tarvittu, koska maailmankaikkeuden luhistumisen esti sen jatkuva laajeneminen.

Einstein piti kosmologisen vakion lisäämistä "suurimpana munauksenaan" – mutta ei voinut tietenkään tietää, että tuli tehneeksi tuplamöhläyksen.

1990-luvun lopulla todettiin, että maailmankaikkeuden suhteen oltiin sittenkin oltu väärässä. Se kyllä laajenee, mutta ei vähitellen hidastuen, vaan kaiken aikaa kiihtyen. Jokin saa maailmankaikkeuden koon kasvamaan nopeammin ja nopeammin. Universumissa täytyy olla aiemmin tuntematon poistovoima, joka kumoaa gravitaation jarruttavan vaikutuksen.

Kosmologinen vakio is back! Vaikka sitä sanotaankin pimeäksi energiaksi. Albert Einstein erehtyi kahdesti.

Maailmankaikkeuden laajenemisesta ja muistakin ominaisuuksista on tehty kohta kolmenkymmenen vuoden ajan havaintoja Hubble-avaruusteleskoopilla, mutta läheltä piti, ettei kalliista kaukoputkesta tullut täysi susi.

Kun Hubble vietiin avaruussukkulalla kiertoradalleen ja sen kameroilla otettiin ensimmäiset kuvat, tähtitieteilijöiden suut loksahtivat auki, mutta muista syistä kuin olisi voinut odottaa. Kristallinkirkkaiden ja huipputarkkojen otosten sijasta ruudulla näkyi suttuista puuroa, joka oli laadultaan kehnompaa kuin harrastajakaukoputkilla otetut kuvat.

Hubble oli likinäköinen. Pian selvisi syykin. 2,4-metrinen pääpeili oli hiottu väärin. Ei tyystin, mutta ratkaisevasti: paraboloidin muotoinen pinta on reunoiltaan neljä mikrometriä liian loiva. Virhe oli luonteeltaan sellainen, että kuka tahansa huolellinen harrastaja pystyy kaukoputken peiliä hioessaan moisen välttämään.

Onneksi Hubble-avaruusteleskooppi oli alkujaankin suunniteltu huollettavaksi avaruudessa, joten pikaisesti – tai niin pikaisesti kuin se avaruustekniikan osalta on mahdollista – rakennettiin korjausoptiikkamoduuli, joka käytiin vaihtamassa yhden havaintoinstrumentin tilalle. Hubble sai periaatteessa silmälasit, vaikka todellisuudessa ne rakentuvatkin pienistä peileistä.

Virheistä opitaan, mutta suoranaisten huiputusten hyötyjä on vaikea keksiä, pikemminkin niistä on pelkkää haittaa.

Vuonna 1908 harrastaja-paleontologi Charles Dawson osui Sussexissa kotinsa lähistöllä hiekkakuopalle, jossa joukko työmiehiä oli lapioimassa soraa. He näyttivät Dawsonille luunpalasia, joita olivat löytäneet soran seasta. Tai itse asiassa he olivat löytäneet kokonaisen kallon, mutta se oli lapion iskusta rikkoutunut palasiksi.

Osa palasista oli ehtinyt jo hukkua hiekan ja soran joukkoon, mutta käsiinsä saamista osista Dawson sai koottua jonkinlaisen hahmotelman hajonneesta kallosta.

Ja se oli mullistava! Kun Luonnonhistoriallisen museon tutkija Arthur Woodward tarkasteli kalloa huolellisesti, hän tuli siihen tulokseen, että se on vähintään 500 000 vuotta vanha. Kallossa oli samanlaisia piirteitä kuin apinoilla, mutta leukaluu ja erityisesti hampaat muistuttivat ihmisen purukalustoa.

Charles Darwinin evoluutioteorian puuttuva rengas oli vihdoin löytynyt. Tässä oli ihmisen esi-isä, tieteelliseltä nimeltään Eoanthropus dawsoni eli kansanomaisemmin Piltdownin ihminen.

Paitsi ettei ollut. Usko löydön aitouteen oli kuitenkin niin vahva, että kallo pystyttiin osoittamaan väärennökseksi vasta 1950-luvun alussa, pitkälti yli 30 vuotta Charles Dawsonin kuoleman jälkeen.

Kallon luut olivat vanhoja, mutta eivät kuitenkaan 50 000 vuotta vanhempia. Ihmisen kallosta peräisin olevien palasten lisäksi todistuskappaleina olleet leukaluu ja hampaat olivat orangin ja soran seasta löytynyt yksittäinen kulmahammas oli kuulunut simpanssille. Hampaistoa oli viilailtu, jotta se muistutti enemmän ihmisen hampaita.

Edelleenkään ei tiedetä, oliko huijari Dawson itse vai joku muu. Joka tapauksessa Piltdownin ihminen johti tutkijoita harhaan vuosikymmenten ajan. Ihmisen uskottiin kehittyneen Euroopassa, vaikka nykykäsityksen mukaan sukujuuremme ovat vahvasti Afrikan puolella.

Tieteellisessä tutkimuksessa tehdyt virheet – elleivät sitten ole häikäilemättömiä huijauksia – johtuvat usein tietämättömyydestä tai taitamattomuudesta, mutta joskus syynä voi olla myös lapsellisuus. Tosin silloin kyse ei ole varsinaisesti tieteellisestä tutkimuksesta.

Nikola Tesla, erityisesti sähkötekniikan alalla useita merkittäviä keksintöjä tehnyt amerikanserbi, oli jo pikkupoikana kiinnostunut kaikesta mahdollisesta maan ja taivaan välillä. Ihan kirjaimellisestikin.

Tesla oli huomannut, että hengittäessään hyvin tiheään eli hyperventiloidessaan hän alkoi tuntea olonsa kevyeksi. Siitähän voisi olla apua lentämisessä!

Poikamaisella innolla Tesla päätti testata teoriaansa saman tien. Hän nappasi käteensä sateenvarjon, kapusi navetan katolle ja hengitteli hetken kiivaasti sisään ja ulos, kunnes alkoi tuntea huimausta. Silloin oli Teslan mielestä oikea aika hypätä – ja hän myös hyppäsi.

Tömähdys maahan vei pojalta tajun ja hän toipui saamistaan vammoista vasta viikkojen kuluttua. Ehkä neron varhaiset, joskin epäonnistuneet kokeilut lentämisen saralla saivat hänet myöhemmällä iällään mieltymään syvästi kyyhkysiin.

Jatkuu…

Kuvat: www.natedsanders.com, NASA/ESA, John Cooke

Maailman kuuluisin täydellinen auringonpimennys

Su, 05/29/2016 - 08:55 By Jari Mäkinen
Auringonpimennys 29.5.1919

Tänään vuonna 1919 tapahtui Etelä-Amerikassa, eteläisellä Atlantilla ja Afrikassa täydellinen auringonpimennys, joka on todennäköisesti maailman kuuluisin sellainen.

Päivän kuvaSyynä kuuluisuuteen oli Albert Einstein, jonka tuore, ympäri maailman huomiota herättänyt suhteellisuusteoria laitettiin pimennyksen aikaan ensimmäiseen, kunnolliseen testiinsä. 

Testi oli yksinkertainen: mikäli suhteellisuusteorian painovoimaselitys toimisi, pitäisi hyvin läheltä Aurinkoa kulkevan, Maasta katsottuna Auringon suunnassa olevan tähden valon taipua hieman silloin, kun se ohittaa suuripainovoimaisen Auringon. Kun tähti näkyy hyvin lähellä Aurinkoa, sen sijainnin pitäisi siis muuttua taivaalla. Hyvin vähän, mutta kuitenkin.

Ongelmana tuonaikaisessa havaintotekniikassa oli kuitenkin se, että hyvin lähellä Aurinkoa olevia tähtiä ei voitu havaita, joten niiden näkemiseen ja valokuvaamiseen tarvittiin täydellinen auringonpimennys, jolloin kuu peittää kirkkaan Auringon. Silloin lähellä olevat tähdet pystyttäisiin näkemään.

Einstein ennusti tämän ilmiön vuonna 1915 ilmestyneessä yleisessä suhteellisuusteoriassaan.

Ensimmäinen sopiva auringonpimennys yleisen suhteellisuusteorian esittämisen jälkeen oli toukokuun 29. päivänä vuonna 1919. Sopiva tarkoittaa tässä sellaista, mitä havaitsemaan päästiin suhteellisen helposti Euroopasta, missä riehui Ensimmäinen maailmansota kesästä 1914 marraskuuhun 1918 saakka. Sota ymmärrettävästi haittasi hieman tieteellisten tutkimusretkikuntien tekemistä, etenkin kun kohteena oli saksalaisen fyysikon esittämä teoria.

Useat tutkimusryhmät lähtivätkin havaitsemaan pimennystä, ja kiinnostavimmat näistä olivat Brasiliassa ja Afrikan rannikolla olevalla Principen saarella. Näiden kahden ryhmän organisaattori oli Iso-Britannian kuninkaallisen tähtitieteellisen yhdistyksen Arthur Eddington, joka oli hyvin innostunut suhteellisuusteoriasta ja opetti sitä mm. Cambridgen yliopistossa (missä hän oli työssä).

Pimennyksen aikaan Aurinko oli kätevästi lähellä Hyadien tähtijoukkoa, Härän tähtikuvion "päätä", ja näin kuviin saatiin juuri sopivasti tähtiä.

Kuuluisin kuvista on tänään päivän kuvana, oikealla luonnollisena ja vasemmalla negatiivina, missä viirujen osoittamat tähdet näkyvät paremmin.

Tulokset osoittivat selvästi, että Aurinko taivuttaa tähden valoa lähellään, ja että Einstein oli oikeassa.

Tietoa levitettiin nopeasti ympäri maailman ja Einstein sai uutisen ystävänsä Konrad Lorenzin lähettämällä teleksillä (alla).

Lopullisesti uutinen vahvistettiin marraskuun 8. päivänä 1919 Lontoossa pidetyssä tilaisuudessa, missä havainnot virallisesti esiteltiin ja Newtonin painovoimateoria "korvattiin" 40-vuotiaan saksalaisneron suhteellisuusteorialla.

Tieteentekijöiden kuka kukin on - retrohenkinen taistelupeli

Pe, 04/01/2016 - 13:38 By Jarmo Korteniemi
Kuvakaappaus pelistä

Science Kombatissa selvitetään miten kävisi kuuluisten tutkijoiden kuvitteellisissa mittelöissä. Tämä ei ole aprillipila.

Kiinnostaako tietää, voittaisiko Alan Turing tappelussa Charles Darwinin? Tai voisiko Albert Einstein ehkä rökittää Stephen Hawkingin? Nyt asiaa on mahdollista testata. Ei tietenkään oikeasti, vaan viihdyttävän (ilmaisen) Science Kombat -retropelin muodossa.

Pelin on kehittänyt brasilialainen kuvittaja ja pelisuunnittelija Diego Sanches. Viime viikkoina hän on markkinoinut peliä levittämällä nettiin taistelijoiden erikoisliikkeiden animointeja. Pythagoras hyökkää suorakulmaisesti ja Isaac Newton tuikkaa vastustajaa prismalla silmään tai tiputtaa omenan tämän päähän. Valtaosa liikkeistä on mietitty ajatuksella, viitaten tutkijoiden kuuluisimpiin löytöihin. Poikkeuksena sääntöön on Marie Curie, ainoa naispuolinen peliin kelpuutettu tieteilijä. Vaikka radioaktiivisuutta toki onkin vaikea kuvata, tästä tekijälle siis isoa miinusta.

Kuvakaappaus pelistä

Peli löytyy Super Intressanten sivuilta, ja se on portugalinkielinen. Ei kuitenkaan haittaa, vaikka kyseinen kieli olisikin hieman ruosteessa, sillä pelin käynnistäminen on varsin intuitiivista. Ensin valitaan joko turnaus tai yksittäinen taistelu, sitten pelaajan hahmo sekä vastustaja, ja sitten eikun hommiin.

Pelistä on aiemmin tehty humanistisempi versio, jossa voi kokeilla vaikkapa Karl Marxin ja Paul Sartren mittelöä. Sartren apuna on Simone de Beauvoir, joten kisa voi olla epätasainen.

Kumpi voittais jos Teris ja Hulk tappelis oli ainakin minun nuoruudessani koulupihoilla käytyä spekulointia. Eihän siinä tietenkään mitään järkeä ollut. Tässä sitä on hitunen, sillä pelin tiimellyksessä mukaan voi tarttua yleistietoa tieteestä. Mutta viihdettä tässä on paljon.

Lisäys klo 15.00: Mikäli joku osaava innostuu tekemään jotain vastaavaa suomalaisista tieteentekijöistä, tämän jutun kirjoittaja on kiinnostunut osallistumaan projektiin.

Kuvat ovat kuvakaappauksia pelistä.

Yleinen suhteellisuusteoria hyvin lyhyesti ja yksinkertaisesti

Ke, 11/25/2015 - 06:15 By Jari Mäkinen
Avaruuden kaarevuus

Tänään vietetään yleisen suhteellisuusteorian 100-vuotispäivää: Albert Einstein julkaisi sen tasan vuosisata sitten ja sen myötä hänestä tuli viimeistään tieteen superjulkkis – tosin jo sitä ennen hän oli kuuluisa mm. suppean suhteellisuusteoriansa ja valosähköisen ilmiön selittämisen ansiosta. Nobelinsa hän sai juuri jälkimmäisestä vuonna 1921 – suhteellisuusteorioista ei nobelia herunut, mikä on hieman omituista.

Päivän kuvaMutta tänään siis juhlitaan yleistä suhteellisuusteoriaa, joka on nimensä mukaisesti alkuperäisen, suppean suhteellisuusteorian yleistys. Siinä missä ensimmäinen suhteellisuusteoria keskittyi siihen, että valon nopeus on suurin mahdollinen nopeus ja kaikki fysiikka toimii suhteessa siihen, on laajennetussa versiossa mukana myös painovoima.

Sitä varten Einstein kehitti koko joukon matemaattisia kaavoja, joiden takana on varsin monimutkainen ja kaunis, mutta hankalasti omaksuttava ajatusrakennelma. Onneksi kuitenkin pääperiaate on erittäin yksinkertainen, ja sitä selittää tämän päivän kuva.

Teoria voidaan kirjoittaa lyhyesti näin: "Aine vaikuttaa massallaan avaruuteen ja sanoo, miten sen tulee kaareutua. Avaruuden kaarevuus puolestaan kertoo aineelle, miten sen tulee liikkua."

Painovoima voidaan siis kuvata avaruuden geometriana, ja kaikki maailmankaikkeudessa paitsi vaikuttaa avaruuden kaarevuuteen, niin myös liikkuu sen mukaan. Myös siis valo noudattaa avaruuden kaarevuutta.

Eikä kyse ole mistään teoreettisesta pohdiskelusta, vaan esimerkiksi GPS-paikannus vaatii toimiakseen suhteellisuusteoriaa. Suhteellisuusteoria on aivan yhtä olennainen – ja yhtä helposti unohdettava – osa nykyaikaista elämänmenoa kuin ilma, jota hengitämme.

Mikäli asiaan haluaa paneutua hieman syvällisemmin, niin Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella merkkipäivää juhlistetaan kaikille avoimella luentotilaisuudella suhteellisuusteoriasta kello 14-16 Physicumin salissa D101. Ensin Syksy Räsänen puhuu yleisen suhteellisuusteorian sadan vuoden taipaleesta ja sitten Hannu Kurki-Suonio kertoo teorian historiallisista ja lähitulevaisuuden testeistä.

Einstein-hausTänään kannattaa myös lukaista Tiedetuubin vuoden takainen juttu Albert Einsteinin kodista suhteellisuusteorian kehittämisen aikaan.

Tähän loppuun vielä tiedepoliittinen huomio: nykyisin yliopistotutkimuskriteerein suhteellisuusteoriaa tuskin olisi koskaan keksitty...

Taivaalta löytyi Irvikissa - mitä tähän sanoo herra Einstein?

Ti, 11/24/2015 - 11:38 By Markus Hotakainen
Galaksijoukko näkyvässä valossa ja röntgenalueella

Sata vuotta sitten Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa, joka on kiistatta yksi 1900-luvun merkittävimmistä tieteellisistä saavutuksista.

Yksi teorian lukuisista ennusteista oli, että massiivinen kappale vääristää aika-avaruutta ja saa läheltä kulkevan valonsäteen muuttamaan hieman suuntaansa. 

Toukokuussa 1919 sattuneen täydellisen auringonpimennyksen aikana otettuja kuvia verrattiin samasta kohdasta otettuihin tähtikuviin ja kas: tähtien paikat näyttivät tosiaan siirtyneen Einsteinin ennustamalla tavalla.

Ilmiö on sitä voimakkaampi, mitä suurempi massa on kyseessä. Galaksit ja kokonaiset galaksijoukot saavat niiden lähettyviltä kulkevat valonsäteet taipumaan niin, että kauempana olevat kohteet vääristyvät kummallisiksi kuvajaisiksi.

Yksi hassuimmista on SDSS J103842.59+484917.7 noin 4,6 miljardin valovuoden etäisyydellä Ison karhun tähdistössä. Kun yhdistetään Hubble-avaruusteleskoopilla tehdyt näkyvän valon ja Chandra-avaruusteleskoopin röntgenalueen havainnot, saadaan näkyviin ilmiselvä Irvikissa, Liisan seikkailut ihmemaassa -klassikon ajoittain katoavainen kissa, josta toisinaan näkyy vain leveä hymy.

Kirja ilmestymisestä on kulunut nyt 150 vuotta, joten se kytkeytyy kosmisen kissahahmon kautta osuvasti Einsteinin juhlavuoteen. Liisan seikkailuista kirjoitti Lewis Carroll, joka oli oikealta nimeltään Charles Dodgson ja sattumoisin matemaatikko.

Galaksijoukon kaksi jättiläisgalaksia muodostavat kissan silmät ja kolmas galaksi kirsun. Galaksien ympärillä oleva tavallinen ja pimeä aine saavat aikaan gravitaatiolinssin, joka vääristää neljä etäämpänä olevaa galaksia sopivasti sijoittuneiksi kaariksi. 

 

 

Itse asiassa "silmät" kuuluvat kahteen eri galaksijoukkoon, jotka ovat törmäämässä toisiinsa lähes 500 000 kilometrin tuntinopeudella. Yllä olevassa Chandran ottamassa röntgenkuvassa näkyy pelkästään säteily, joka on peräisin galaksijoukkojen kuumasta kaasusta. Meneillään oleva törmäys on kuumentanut sen miljooniin asteisiin. 

Röntgenkuvassa toisen silmän kohdalla näkyvä kirkas kohta on toisen galaksin keskuksessa oleva supermassiivinen musta aukko – tai pikemminkin sitä ympäröivä kertymäkiekko, jossa aine kuumenee ennen katoamistaan pohjattomaan nieluun.

Irvikissajoukosta on tutkijoiden mukaan tulossa ennen pitkää niin sanottu fossiilijoukko, jossa yhden jättimäisen ellipsigalaksin ympärillä on suuri määrä pienempiä galakseja. Fossiilivaihetta pidetään osana galaksijoukkojen kehitystä ja Irvikissa tarjoaa hyvän tilaisuuden sen tarkasteluun. Kissan "silmien" arvellaan sulautuvan toisiinsa noin miljardin vuoden kuluttua, jolloin Irvikissasta tuleekin Kyklooppi. 

Tutkimuksesta kerrottiin Chandra-röntgenteleskoopin uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuvat: NASA/CXC/UA/J.Irwin et al [röntgen] / NASA/STScI [näkyvä valo]

Historiallinen kirje: pienen tytön ohje Einsteinille

Su, 08/30/2015 - 11:06 By Jari Mäkinen
Kirje Einsteinille

Päivän kuvaKuten tiedetään, maailmankuulu fyysikko Albert Einstein ei erikoisemmin pitänyt arkisista asioista. Silloin kun hän ei pohtinut fysiikkaa, hän todennäköisesti soitti viulua tai kävi purjehtimassa.

Tunnetuin asia hänen omalaatuisessa, tylsiä arkiaskareita välttäneessä habituksessaan olivat hänen hiuksensa.  Hän ei pahemmin käyttänyt kampaa eikä hoitanut hiuksiaan juuri muutenkaan. 

Tämä sai amerikkalaisen, kuusivuotiaan Ann-tytön reagoimaan vuonna 1951 ja lähettämään tuolloin Princetonissa asuneelle tutkijalle kirjeen. Ohessa olevassa kirjeessä hän toteaa, nähneensä Einsteinin kuvan ja että hänen pitäisi käydä parturissa. "Näyttäisitte siten paremmalta", sanoo Ann kirjeessään.

Kirje on esillä Israelissa, Jerusalemissa olevassa Heprealaisessa yliopistossa, jonka eräs perustajista Einstein oli. Parhaillaan esillä olevassa Einsteinin hiuksista kertovassa mininäyttelyssä on myös koko joukko kirjeitä yrittäjiltä ja kauppailta, jotka olisivat halunneet nimetä hiushoitotuotteensa Einsteinin mukaan.

Toinen konkreettinen merkki Einsteinin omalaatuisuudesta oli se, että hän ei käyttänyt käytännössä koskaan sukkia. Kotonaan hän oli paljain jaloin ja muualla hän käytti kenkiä, mutta niitäkin ilman sukkia. "Miksi ihmeessä käyttää molempia?", kerrotaan fyysikon kysyneen.

Kenties seuraava yliopiston näyttely kertoo sukista...tai siis sukattomuudesta!

Kylässä Einsteineillä Bernissä

Ke, 08/27/2014 - 22:59 By Jari Mäkinen
Olohuone

Sveitsissä, noin tunnin ajomatkan päässä Zürichistä, sijaitsee UNESCOn maailmanperintölistalla oleva paikkakunta nimeltä Bern. Kun sen vanhasta kaupungista, Aarejoen mutkasta, nousee joenuoman päälle Bernin uudempaan ja nykyiseen varsinaiseen keskustaan, voi sieltä löytää tieteen historian kannalta varsin kiinnostavan rakennuksen: talon, missä Albert Einstein laittoi fysiikan uusiksi.

”JoulukalenteriAlbert Einstein muutti nuorena varsin usein. Hän syntyi Ulmissa, Saksassa, varttui Münchenissä, ja opiskeli Sveitsissä, Zürichissä. Hän suoritti siellä diplomityönsä vuonna 1900, jolloin hän seurusteli jo opiskelutoverinsa Mileva Marićin kanssa.

Albert oli keskinkertainen opiskelija, mutta oli kiinnostunut tietellisestä tutkimuksesta. Hänen ensimmäinen julkaistu artikkelinsa julkaistiin keväällä 1901, ja se käsitteli kapillaari-ilmiötä. Artikkeli toi hänelle nimeä, mutta ei niin paljoa, että kukaan olisi palkannut hänet mihinkään yliopistoon. Niinpä hän joutui työskentelemään opettajana.

Vuonna 1902 hän kuitenkin sai paikan Bernissä sijaitsevassa Sveitsin patenttitoimistossa, ja vaikka työ elektromagneettisten laitteiden patenttihakemusten 3. luokan käsittelijänä ei ollutkaan mikään unelma-ammatti, hän muutti ja aloitti työt.

Bernissä Albert ja tuleva vaimonsa Mileva asuivat pisimpään (1903-1905) aivan kaupungin historiallisessa keskustassa sijaitsevassa Kramgasse 49:n toisen kerroksen kaksiossa. Tuossa asunnossa Albert viimeisteli ajatuksensa, jotka tekivät hänestä maailman kuuluisimman tieteentekijän – ensimmäisen sekä todennäköisesti edelleen suurimman tieteen megajulkkiksen.

Asuntoon noustaan kapeita kierreportaita pitkin, jotka toki on nyttemmin muutettu vierailijoita kestäviksi ja koristeltu avaruudellisesti. Toisesta kerroksesta pääsee kuitenkin sisälle asuntoon, mikä on yllättävän pieni. Olohuoneen lisäksi on jotakuinkin entisellään oleva eteinen ja lipunmyyntihuoneeksi muutettu keittiö. Vieressä on pieni makuuhuone.

Kalusto on edelleen lähes alkuperäinen, tosin sieltä ja täältä jälkikäteen kerättynä. Näihin kuuluu työpöytä, jolla Albert kirjoitti vuoden 1905 viisi läpimurtoartikkeliaan.

Koko rakennus on muutettu Einstein-taloksi. Toisen kerroksen asunnon yläpuolinen samankaltainen kaksio on nyt museo, missä on yksinkertainen näyttely sekä videohuone, ja alapuolella on kahvila, joka kantaa yllättäen nimeä ”Einstein”. Pikaisen käynnin perusteella sitä voi suositella.

Vaikka museo ei tuo juurikaan uutta Einsteiniä ja hänen työtään edes ylimalkaisesti tuntevalle, on paikassa luonnollisesti omalaatuinen henki. Ja Bernissä voi edelleen aistia sen saman tunnelman, mikä siellä aikanaankin jo oli.

Kun palataan vuoteen 1903, eivät Milena ja Albert asuneet vielä yhdessä. He saivat jo aikaisemmin ensimmäisen lapsensa, mutta tyttölapsi annettiin (ajan hengen mukaisesti) kasvattivanhemmille, koska lapsi syntyi avioliiton ulkopuolella ja vanhemmat olivat nuoria sekä hyvin vähävaraisia.

Kun pariskunnan toinen lapsi, poika, alkoi odottaa itseään, Albert ja Milena menivät naimisiin ja päättivät muuttaa yhteen samaan kotiin. Tuon asunnon osoite oli Kramgasse 49.

Einsteineillä oli laaja ystäväpiiri, joka koostui pääasiassa työn puitteista tulleista tuttavista, mutta myös musiikinharrastukseen liittyen. Albert laajensi kuitenkin tätä edelleen liittymällä toukokuussa 1903 Bernin luonnontieteelliseen yhdistykseen, mikä toi hänelle ystäviksi erityisesti korkeakoulujen opettajia. Heidän kauttaan hän sai käyttöönsä koulujen laboratoriot ja joulukuussa 1903 Einstein piti yhdistyksessä ensimmäinen esitelmänsä.

Albertin tieteellisen kiinnostuksen kohteet vaihtelivat, mutta Berniin muutettuaan hän suuntautui pääasiassa fysiikan silloisiin suurimpiin kysymyksiin. Hän ei osannut sanoa mikä niissä viehätti, mutta hän piti näiden vaikeiden asioiden pohtimisesta ja olikin mietiskellyt Zürichin opiskeluvuosista alkaen etenkin lämpödynamiikkaa, lämmön liiketeoriaa, atomien olemassaoloa ja kokoa, sekä liikkuvien kappaleiden sähkömagnetismia.

Työpäivät patenttitoimistossa olivat pitkiä, mutta niiden lisäksi Albert antoi yksityisopetusta lähes päivittäin. Hän teki tyypillisesti 48-tuntisia viikkoja. Siitä huolimatta (kenties osin työajalla) hän pystyi pohtimaan fysikaalisia kysymyksiä sen verran korkeatasoisesti, että hän julkaisi noin kerran vuodessa artikkelin sen ajan arvostetuimmassa Annalen der Physik -julkaisussa.

Se, että hän ei onnistunut saamaan työtä yliopistossa, oli kenties hänelle tässä hedelmällisessä vaiheessa hyödyksi: hän joutui työskentelemään yksin, vapaana akateemisista paineista ja perinteistä. Siitä huolimatta Einstein oli pettynyt siihen, että hänen työtään ei arvostettu.

Sitten koitti vuosi 1905, annus mirabilis, jolloin berniläinen patenttivirkailija laittoi fysiikan uusiksi – ja arvostusta tuli lopulta Nobelinkin verran. Maaliskuusta syyskuuhun 1905 Einstein julkaisi kaikkiaan viisi artikkelia kolmelta fysiikan alalta, ja niistä jokainen olisi tuonut hänelle paikan tieteenhistoriassa. Valosähköinen ilmiö, Brownin liike, massan ja energian verrannollisuus (E=mc²) sekä erityinen suhteellisuusteoria (mihin kuuluisa kaava ei suoraan kuulunut) olivat kokonaan uusia näkemyksiä maailmaan ja pohjustivat aivan uutta fysiikkaa.

Albert Einstein itse piti valon valosähköisestä ilmiöstä, eli valon kvanttiluonteesta kertonutta artikkeliaan tärkeimpänä, koska hänen omasta mielestään suhteellisuusteorian siemen oli lähinnä Maxwellin ja Lorenzin töiden jatkoa.

Jo huhtikuun 1905 lopussa Albert sai valmiiksi valmiiksi väitöskirjansa Zürichin teknillisellä yliopistolla, mutta asuinpaikka pysyi Bernissä vuoteen 1907 saakka. Silloin Albert lähti maailmanmaineeseen – ja avioliitto Milenan kanssa kariutui, pitkälti maineen ja tieteellisen työn sysättyä perhe-elämän syrjään.

Einsteinhaus

Kramgasse 49

3000 Bern 8

www.einstein-bern.ch

Sisäänpääsymaksu 6 frangia tai 4,50 frangia opiskelijoilta. Euroillakin saa maksaa. Huom: luottokortteja ei hyväksytä!

Avoinna joka päivä klo 10-17.

Tiedetuubin esittelemiä tiedekeskuksia ja muita kiinnostavia kohteita