Maan ydin on yllättäen kuorta nuorempi

Tanskalainen tutkijaryhmä päätti ottaa mittaa urbaanista suhteellisuusteoreettisesta legendasta. Osoittautui, että kerrankin uskomus vähätteli todellista ilmiötä. Aikaero pinnan ja ytimen välillä on luultua suurempi.

Planeetan osaset, aina alkuaineista lähtien, ovat eri-ikäisiä. Molekyylejä ja mineraaleja hajoaa jo muodostuu koko ajan. Maan ydinkin on rakentunut yllättävän vastikään, kuten taannoin kirjoitimme. Mutta nuo kaikki ovat vain sivuseikkoja.

Tässä jutussa on kysymys jostain rakennuspalikkojakin perustavammasta: Painovoimasta ja aika-avaruuden vääristymistä.

Kuuluisan fyysikon, Richard Feynmanin, kerrotaan sanoneen luennollaan joskus 1960-luvulla jotakuinkin seuraavaa: "Gravitaatiopotentiaalin vuoksi Maan ytimen pitäisi olla päivän tai pari pintaa nuorempi".

Feynman tarkoitti sitä, että yleisen suhteellisuusteorian mukaan kellot käyvät sitä hitaammin, mitä suuremmassa gravitaatiokuopassa (eli painovoimapotentiaalissa) ne kulloinkin ovat. Tai siis näyttävät käyvän hitaammin muualta tiirailevan havaitsijan silmin. Omasta mielestään kukin kello käy toimii aivan normaalisti.

Maan ytimessä ollaan keskellä planeetan aiheuttamaa painovoimakuoppaa. Me pinnalla elelijät taas kekkaloimme kuopan rinteellä, mutta planeetta estää meitä tippumasta syvemmälle kuoppaan.

Päivän tai pari. Yksi tai kaksi päivää.

Suunnan voi todeta oikeaksi, jos tuntee jonkin verran suhteellisuusteoriaa. Lukuarvon suuruutta ei kuitenkaan tiettävästi ole aiemmin tarkistettu (tai ainakaan tarkistuslaskuja ei ole julkistettu). Lainausta on käytetty populaaritieteessä, luennoissa ja muuallakin. Luultavasti näin on käynyt Feynmanin tutkijan maineen vuoksi – anekdoottia käyttäneet ovat luottaneet siihen, että kuuluisuus teki laskunsa oikein.

Mutta kun ei tehnyt, ja väite menee päin prinkkalaa. Tämän huomaisi, jos asian tarkistaisi. Tämän todistamiseen liittyvistä laskuista selviäisi lukiofysiikalla tai viimeistään yliopiston fuksikurssien jälkeen.

Kyse on vuosista, ei päivistä.

Yllä Auringon ja Maan aiheuttamat aika-avaruuden vääristymät visualisoituna kaksiulotteisella verkolla.

 

Nyt tanskalaistutkijat laskivat, miten paljon gravitaatio todella hidastaa aikaa aivan lähiympäristössämme.

Maapallon pinnalla ja ytimellä on 2,5 vuoden ikäero. Se on kertynyt planeetan 4,5 miljardin vuoden eliniän aikana. Auringolla ero on isomman massan ja ytimen tiheyden aiheuttamasta kuopasta johtuen suurempi, peräti 39 000 vuotta.

Pinnalla oleva kello käy koko ajan nopeampaa kuin ytimeen upotettu kello. Erot kasvavat koko ajan.

Eron voisi määrittää mille tahansa kappaleelle, jonka massan jakautuminen ja läpimitta voidaan arvioida riittävän tarkasti.

Asia voidaan viedä ajatustasolla äärimmäisyyksiin. Keskelle mahdollisimman tyhjää avaruuden aluetta jätetty kello kävisi siis jokseenkin niin nopeasti kuin se tässä universumissa tiettävästi voisi. Todellisilla syrjäseudulla, kuten vaikkapa kaukana jättimäisistä galaksijoukoista, pimeästä aineesta ja jopa satunnaisista tähdistä, keskellä ei mitään, gravitaatiopotentiaali olisi minimissään. Toisessa ääripäässä olisivat ylitiheät neutronitähdet: Sellaisen ytimeen sijoitettu kello näyttäisi ulkopuoliselle tikittävän tuskallisen hitaasti. (Ajatusta jatkaen mustan aukon keskellä olevassa singulariteetissa aika jopa pysähtyisi – mutta jätetään sellaiset sikseen, muutoin mennään nykyfysiikan tuntemuksen ulkopuolelle.)

Asian todenperäisyydestä ei oikeastaan ole kiistaa. Yleiselle suhteellisuusteorialle ei vielä ole löytynyt haastajaa, joka selittäisi maailman toimintaa yhtä hyvin ja lisäksi vielä selittäisi aiemmassa teoriassa esiintyvät puutteetkin.

Periaatteessa lasketun ikäeron voisi kuitenkin tarkistaa analysoimalla radioaktiivisten aineiden ja niiden hajoamistuotteiden suhteita eri syvyyksillä. Mitä syvemmällä gravitaatiokuopassa aine on, eli mitä hitaammin kellon aika on kulkenut, sitä pienempi osa emoaineesta on ehtinyt hajota. Ytimessä pitäisi siis olla radioaktiivista ainetta hieman suurempi prosenttiosuus jäljellä, sillä radioaktiivinen puoliintumisaika on vakio ajan suhteen. Ikäero on kuitenkin hyvin marginaalinen atomien elinikään nähden, ja puoliintumisaikakin on tilastollinen suure, joten tulokset hukkuisivat auttamatta taustakohinaan. Ja onhan näytteen saaminen planeetan ytimestäkin myös himpun verran vaikeaa.

Feynmanin sanomiset olivatkin palturia

Tanskalaistutkijat julkaisivat laskunsa, jotta muut tieteentekijät, opettajat ja oppilaat muistaisivat, kuinka helppoa auktoriteettiin on luottaa turhaan ja kuinka helposti myös kuuluisuudet tekevät virheitä. Tutkijat yrittävät nostaa kollegojensa terveen skeptisyyden ja tieteellisen selkärangan esiin. Mitään väitettä ei kannata sokeasti uskoa, jos sen voi itse tarkistaa. Auktoriteettiusko ei kuulu tieteen ihanteisiin. Päinvastoin.

Varmaa tosin ei ole, oliko virhe todella Feynmanin vai kenties luennon puhtaaksikirjoittajan tekemä. Tätä ei enää voida tarkistaa. Yhtä kaikki, Feynmanin suuhun on pistetty päiviä vuosien sijasta, ja siellä ne pysyvät.

Feynman itse tokaisi huomattuaan jonkun muun kuuluisuuden tekemät virheet: "Siitä lähtien en ole juuri 'asiantuntijoista' piitannut vaan laskenut kaiken itse."

Tutkijoiden laskuharjoitusmainen artikkeli ilmestyi juuri European Journal of Physics -lehdessä, jonka tarkoituksena on parantaa fysiikan tuntemusta ja käyttötottumuksia korkeakoulutuksessa. Asiasta kirjoittivat aiemmin NewScientist ja ScienceAlert.

Joulu Gaian kanssa

Gaia Arto Oksasen kuvaamana
Gaia Arto Oksasen kuvaamana

Gaian laukaisu 19. joulukuuta stressasi monen perheen joulua. Monet työntekijät Ranskan Guyanassa halusivat palata koteihinsa Eurooppaan jouluksi. Laukaisu lähellä joulua on aina pieni riski, sillä viime hetkellä voi aina tulla muutaman päivän viivästys, mikä olisi tarkoittanut joulua tropiikissa. Se ei sinällään olisi ollut ikävä asia, mutta se ei ollut monenkaan suunnitelmissa.

Gaian laukaisu onnistui kuitenkin hienosti ja lentokoneet Eurooppaan täyttyivät. Oikeastaan juuri joulua ennen tapahtunut laukaisu oli erittäin sopiva – ainakin projektiin osallistuville tutkijoille. Nimittäin Gaialla ei voida tehdä mitään tieteellistä ennen kuin kaikki maanpäälliset, Gaian sisälle jääneet ilmakehän kaasut ovet "kiehuneet" pois. Siksi kaikkia optisia osia lämmitetään, ettei niistä tulisi kylmäloukkoja Gaiasta pakeneville molekyyleille. Tämän seurauksena projektin tieteentekijät pystyivät keskittymään kinkun syöntiin.

Kaikille Gaian rauhallinen joulu ei kuitenkaan ollut rauhallista aikaa. ESAn satelliittien operoinnista vastaava Euroopan avaruusoperaatiokeskus ESOC Saksan Darmstadtissa seurasi ja ohjasi Gaiaa joulun yli. Vaikka tähtitieteelliset mittalaitteet eivät olleet päällä, monia oheislaitteita otettiin käyttöön. Niinpä minunkaan jouluni ei sujunut ainoastaan kinkun parissa, vaan jouduin silloin tällöin avaamaan tietokoneen ja katsomaan uusinta raporttia Gaian tilasta. Kaikki toimi erinomaisesti!

Oli myös tutkijoita, jotka tekivät töitä Gaian lähettämien tietojen kanssa yli joulun. Yksi tärkeä laite Gaiassa on tarkka kello. Kellon lähettämää dataa onkin jo välitetty ESOCin kautta ESACiin, joka on ESAn tieteellinen operointikeskus Madridissa. Siellä Gaian lähettämää telemetriatietoa käsitellään, ja kellon dataa siirrettiin Dresdenin Teknillisen Korkeakouluun, jossa Sergei Klioner korreloi Gaian kelloa maanpäälliseen aikastandardiin nähden.

Myos monet tähtiharrastajat ovat olleet kiireisiä Gaian parissa. Pyysimme seuraamaan Gaian matkaa L2 pisteeseen ja kokoelma valokuvia löytyy osoitteesta http://www.cosmos.esa.int/web/gaia/news_20131220.

Mukana on myös tämän kirjoituksen otsikkokuva, jonka otti Arto Oksanen, vanha tuttuni Helsingin opiskeluajoilta. Heti laukaisun jälkeen Gaia oli kirkas kohde, mutta kun Gaia käännettiin 45 asteen kulmaan Aurinkoon nähden, siitä tulikin haastava kohde. Arto onnistui kuvaamaan Gaian kun sen kirkkaus oli vain 19 magnitudia.

Vuodenvaihde tulee olemaan vielä aika rauhallista. Joulukuun 30. päivä Gaialle tehdään pieni radankorjaus, jotta Gaian asettuminen 7. tammikuuta kiertoradalle L2-pisteen ympärillä voidaan valmistella hyvin. Ratakorjaus on hyvä myös kalibrointia ajatellen. Jännittävin lähiaikojen tapahtuma on 2. – 4. tammikuuta, kun tähtitieteelliset instrumentit käynnistetään.

Sitä odotellessa toivotan Gaian puolesta hyvää uutta vuotta!

Timo Prusti

(Otsikkokuvan on ottanut Arto Oksanen Chilessä sijaitsevalla etäkäytettävällä kaukoputkella. Arto kirjoittaa kuvasta: "Gaia-satelliitti jatkaa edelleen matkaansa kohti havaintopaikkaansa, saavuttaen juuri 700 000 kilometrin etäisyyden eli liki kaksi kertaa Kuun etäisyyden. Satelliitti näkyi himmeänä (mag 19) liikkuvana täplänä 20 kuvan sarjassa. Oheisessa kuvassa yhdistetty kolme ensimmäistä ruutua ja Gaia merkitty ympyröillä.")

Joulupukki, maailman pitkäkestoisin performanssi

Aika kauan sitten kolme länsimaista taiteilijaa esitti performanssin, jossa he seisoivat yleisön edessä ja kukin luki vaieten kirjaa kynttilän valossa. Kun taiteilija löysi kirjasta sanan ”valkoinen”, hän sammutti kynttilänsä ja poistui näyttämöltä. Teos päättyi, kun näyttämö oli pimentynyt.

Kaksi esittäjää löysi omista kirjoistaan sanan ”valkoinen” muutamassa minuutissa. Mutta yksi taiteilijoista luki erästä Hegelin teosta, eikä vielä tunnin kuluttuakaan ollut löytänyt sanaa ”valkoinen”. Katsojat tulivat kärsimättömiksi ja eräs taidekriitikko kävi puhaltamassa kynttilän sammuksiin. Taiteilija sytytti sen uudelleen ja jatkoi lukemista.

Aika on monien nykytaiteilijoiden materiaalia ja samalla taiteellisen tutkimuksen kohde. Taiteen avulla aikaa voi tarkoituksellisesti hidastaa, venyttää, nopeuttaa tai pysäyttää siten, että teoksen kokija tulee äärimmäisen tietoiseksi ajan luonteesta. Aikakokemus tihentyy käsiteltäväksi.

Meille kärsimättömille esitys, jossa ei näennäisesti tapahdu mitään ja jonka kestoa emme varmasti voi tietää, on kiduttava. Olemme ajan kanssa yksin, sillä mikään ulkoinen toiminta ei kuluta aikaamme. Odotamme vain esityksen – tietyn ajan jakson – loppumista. Uteliaisuus pitää paikallaan.

Joulu vertautuu performanssiklassikkoon: odotamme että joulupukit sammuttavat kynttilänsä ja poistuvat näyttämöltä tolkullisessa ajassa. Oudoksumme, jos jossakin on jouluvalot vielä huhtikuussa ja närkästymme, jos törmäämme kesälomamatkalla joulutarvikkeita myyvään kauppaan.

Sammutamme joulun, ja jos uimarannalle ilmestyy elokuun kuumuudessa joulupukkilauma, käy kuten kuvatussa performanssissa: vahtimestari pyysi lopulta sinnikästä taiteilijaa poistumaan näyttämöltä.

Arkinen kokemuksemme ajasta on, että asioilla on tietty rytmi: jotakin tapahtuu oikeassa järjestyksessä ja oikeaan aikaan, luonnollisesti. Jos jokin taiteellinen performanssi sekoittaa arkista ajan tajuamme, se saattaa tuntua epämukavalta, mutta pidemmän päälle esimerkiksi yhä kiihtyvän kiireen hidastaminen on mahdollista vain ajan kulkuun tarttumalla ja rytmittämällä oma elämä uudella tavalla.

Suhteellisuusteorian mukaan nopeuden kasvaessa aika hidastuu – siksi joulupukki pystyy rekilennollaan jakamaan lahjat miljoonille ihmisille yhden vuorokauden aikana. Jos luonnonlait olisivat toiset, joulupukin odottamiseen käytettävä aika kodeissa ei tuntuisi niin pitkältä. Joulupukki, maailman vanhin performanssitaiteilija, on kuitenkin opettanut meitä kärsivällisiksi – ainakin kerran vuodessa.

 

 

 

En pidä kesäajasta!

En pidä kesäajasta!

Ensi yönä, maaliskuun 30. ja 31. päivien välisenä yönä siirrytään jälleen kesäaikaan. Silloin kelloja käännetään klo 03:00 näyttämään kello neljää, mutta saman tunnilla eteenpäin siirtymisen toki voi tehdä myöhemminkin. Ideana on se, että näin aamulla herätessä on valoisampaa.

Kesäaikaan siirtyminen ei ole mitenkään tärkeimpiä asioita maailmassa, mutta varmasti yksi tyhjänpäiväisimmistä tavaksi muodostuneista historiallisista jäänteistä. Varmastikin aikanaan on ollut tärkeää käyttää hyväksi kaikki päivänpaiste ja siirtää siksi kelloja tunnilla edes- ja taaksepäin kevällä ja syksyllä, mutta nykyisin yhteiskunta elää joka tapauksessa kellon ympäri, joten edut ovat hyvin kyseenalaiset.

Kesäaika otettiin ensimmäisen kerran käyttöön ensimmäisen maailmansodan aikaan Saksassa vuonna 1916 ja Britannia sekä Yhdysvallat tekivät samoin seuraavina vuosina. Tärkein peruste oli tuolloin järkevä: oli pula-aika ja kun valtaosa ihmisistä pystyi käyttämään hieman enemmän päivävaloa hyväkseen, säästyi hiiliä ja sähköä. Kesäajasta luovuttiin kuitenkin monissa paikoin pian, koska kellojen vääntely ei ollut ihmisten mieleen. Tosin taas ajatus otettiin uudelleen esiin toisen maailmansodan jälkeen ja lopulta 1980-luvun alussa lähes kaikki Euroopan maat olivat ottaneet kesäajan käyttöön. Suomessa näin tehtiin vuonna 1981.

Tähtitieteilijän näkökulmasta kesäaika on naurettava keksintö kahdestakin syystä: ensinnäkin se pakottaa elämään keinotekoisesti kauempana omasta aurinkoajasta ja toiseksi se tekee illoista yhä valoisampia. On toki mukavaa paistatella päivää pitempään, mutta samalla se tarkoittaa sitä, että pimeä yö tulee myöhempään. Aurinko ei ole etelässä enää keskipäivällä, vaan iltapäivällä. Luonnollisestikaan suuri osa ihmisistä ei kiinnitä mitään huomiota siihen missä Aurinko on milloinkin ja mikä on tähtitaivaan suhde kellonaikaan, mutta tämä on myös yksi peruste sille, miksi kesäaika on nykyisin menettänyt merkityksesä: juuri kukaan ei elä enää Auringon mukaan, vaan kellon mukaan. Elämä menee eteenpäin koko ajan päivänvalosta riippumatta, lamput loistavat monissa toimistoissa ympäri vuorokauden joka tapauksessa ja kodeissa illalla säästetty sähkö käytetään aamulla. Kesäajasta lienee nykyisin lopulta enemmän haittaa kuin hyötyä. Kellojen siirtely vie energiaa ja aiheuttaa kustannuksia, koska kaikki yhteiskunnassa toimii kellonajan perusteella. Ja koska kaikkialla maailmassa ei siirrytä kesäaikaan samana päivänä (eikä kaikkialla siirrytä lainkaan), pitää näinä aikoina ja syksyllä normaaliaikaan siirtymisen aikoihin olla tarkkana.

Nykytekniikka saa tosin monet kellot ottamaan kesäajan huomioon automaattisesti, mutta tämäkin luo omat ongelmansa: mikä kello on siirtynyt itsekseen ja mikä ei? Kelloja on lisäksi joka puolella, joten ainakin meillä kotona siirtämättömiä kelloja löytyy vielä viikkojen päästäkin. Kesäajasta luopumisesta on käynnissä myös kansalaisaloite.