Gravitaatioaallot ovat aika-avaruuden värähtelyjä, jotka Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennusti vuonna 1915, siis jo yli sata vuotta sitten. Äärimmäisen heikkoa ilmiötä on jahdattu kymmenien vuosien ajan, mutta havaintolaitteiden herkkyys ei ole riittänyt – tai sitten aaltoja ei ole olemassa.

Nyt on lopullisesti varmistunut, että gravitaatioaallot ovat todellisuutta. Kahden mustan aukon sulautuminen yhteen sai aikaan gravitaatioaaltojen pulssin, joka onnistuttiin havaitsemaan LIGO-laboratorion (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) mittalaitteilla Louisianan osavaltiossa sijaitsevassa Livingstonin observatoriossa ja Washingtonin osavaltiossa sijaitsevassa Hanfordin observatoriossa.

14. syyskuuta 2015 kello 11.51 Suomen aikaa havaittu pulssi kertoi, että 1,3 miljardin valovuoden etäisyydellä kaksi mustaa aukkoa, joiden massat olivat 29 ja 36 Auringon massaa, törmäsivät toisiinsa lähes puolella valon nopeudella. Kosmisessa kolarissa muuttui noin kolmen Auringon massan verran energiaa sekunnin murto-osassa gravitaatioaalloiksi. 

Kvanttiteorian kuvaaman mikromaailman kummallisia ilmiöitä on usein havainnollistettu Schrödingerin kissan karulla kohtalolla. Tunnetussa ajatuskokeessa kissa on suljetussa laatikossa, jossa on potentiaalisesti tappava laitteisto. 

Radioaktiivisen ytimen hajoaminen vapauttaa myrkyn, jolloin kissa kuolee. Ellei hajoamista tapahdu, kissa pysyy hengissä. Vasta kun laatikko avataan, saadaan selville, miten kissan on käynyt.

Ytimen hajoaminen tapahtuu 50 prosentin todennäköisyydellä, joten kvanttimekaniikan tulkinnan mukaan kissa on samanaikaisesti sekä elossa että kuollut. 

Paitsi että Erwin Schrödinger ei tarkoittanut sitä, vaan käytti ajatuskoetta kuvaamaan kvanttiteorian puutteita: se ei pysty kuvaamaan makromaailman ilmiöitä. 

Wienin, Harvardin ja Queenslandin yliopistojen tutkijat ovat nyt tulleet siihen tulokseen, että Albert Einsteinin pian satavuotias yleinen suhteellisuusteoria pelastaa kissan epätietoisuudelta ja mahdollisesti kivuliaalta kuolemalta.

Suhteellisuusteorian mukaan gravitaatio saa ajan hidastumaan samaan tapaan kuin huima nopeus. Ilmiö on hyvin vähäinen, mutta silti todellinen ja havainnoilla varmistettu. 

Esimerkiksi toimistokompleksin pohjakerroksessa työskentelevät vanhenevat vuodessa 10 nanosekuntia vähemmän kuin kerrosta ylempänä uurastavat. Vaikka työuria pidennettäisiin kuinka paljon, verotettavaa hyötyä siitä ei kuitenkaan ehdi kertyä.

Uuden tutkimuksen mukaan tämä gravitaatiodilataatioksi kutsuttu ilmiö voi selittää myös siirtymän kvanttimaailman kummallisuuksista arkipäivän tuttuihin ilmiöihin. 

Palataan kissaan. Kvanttimekaanisen tulkinnan mukaan se on periaatteessa kahden tilan superpositiossa. Käytännössä niin ei kuitenkaan ole. Huolimatta siitä, että radioaktiivisen ytimen hajoaminen noudattaa kvanttimekaniikan sääntöjä, jokin tekee ne merkityksettömiksi kissan kokoluokassa. Kissa on joko kuollut tai elävä.  

Makromaailman mittakaavassa keskeinen tekijä on lukemattomien hiukkasten vaikutus toisiinsa. Niitä ei voi enää tarkastella yksittäisinä aaltofunktioina, joita ne kvanttiteorian mukaan ovat. Tutkijoiden mukaan toinen tekijä on Einsteinin teorian mukainen gravitaatiodilataatio. 

Kun yksittäiset hiukkaset muodostavat isompia kappaleita, Maan vetovoima hillitsee niiden kvanttikäytöstä. Hiukkaset ovat teoriassa samanaikaisesti monessa eri paikassa, mutta mitä voimakkaammassa vetovoimakentässä ne ovat, sitä hitaampaa hötkyily on. 

Laskelmien mukaan gravitaatio tuhoaa hiukkasten superposition, jolloin havaitsemamme kappaleet käyttäytyvät havaitsemallamme "normaalilla" tavalla. 

"On aika yllättävää, että gravitaatiolla on oma roolinsa myös kvanttimekaniikassa", hämmästelee tutkijaryhmää johtanut Igor Pikovski. "Gravitaatiota tutkitaan yleensä tähtitieteellisissä mittakaavoissa, mutta näyttää siltä, että se vaikuttaa myös kaikkein pienimpien hiukkasten kvanttiluonteeseen täällä maanpinnalla."

Toistaiseksi tulokset ovat puhtaasti teoreettisia, mutta tutkijoiden mukaan ilmiön pitäisi olla havaittavissa lähitulevaisuudessa tehtävissä kokeissa. Silloin ollaan ehkä askelta lähempänä kvanttiteorian ja suhteellisuusteorian yhdistämistä, joka on ollut jo pitkään tutkijoiden haaveena.

Kvanttikissan pelastumisesta kerrottiin Wienin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä. 

Kuva: Igor Pikovski/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysic

Albert Einstein, tuolloin jo maailmankuulu tutkija, piti Oxfordissa keväällä 1931 kolme luentoa suhteellisuusteoriasta. 16. toukokuuta pidetyltä luennolta on säilynyt liitutaulu, jolle Einstein kirjoitti maailmankaikkeuden rakenteeseen liittyviä yhtälöitä. 1920-luvulla Edwin Hubblen havainnot osoittivat, että maailmankaikkeus laajenee - toisin kuin Einstein oletti viimeistellessään teoriaansa. Luennollaan Einstein hahmotteli liitutaululle, miten voidaan laskea maailmankaikkeuden laajenemista ilmaisevan muuttujan D arvo (kolme ensimmäistä riviä). Seuraavat neljä riviä antavat lukuarvot maailmankaikkeuden laajenemiselle, tiheydelle, säteelle ja iälle. Legendaarisen liitutaulun pelasti jälkipolville kemisti Edmund Bowen, joka oli kuuntelemassa Einsteinin luentoa. Yhdessä kirjallisuustieteilijä Francis Wylien kanssa Bowen toimitti sen Oxfordin tieteenhistorian museoon (Museum of the History of Science), missä se on edelleen yleisön nähtävillä.

Tänään vuonna 1905 myöhemmin tieteen superjulkkikseksi noussut Bernin patenttitoimiston virkailija Albert Einstein julkaisi kuuluisassa fyysikkojen julkaisusarjassa Annalen der Physik artikkelin, missä analysoitiin terävästi Max Planckin kvanttiteoriaa ja luotiin pohja suppealle suhteellisuusteorialle.

Vuosi 1905 oli Einsteinin elämässä tärkeä vuosi, jota kutsutaankin yleensä hänen ihmeiden vuodekseen, annus mirabilis 1905. Hän sai sen aikana valmiiksi paitsi tohtorinväitöskirjansa Zürichin teknillisellä yliopistolla niin myös julkaisi ajatuksiaan suppeasta suhteellisuusteoriasta ja valosähköisestä ilmiöstä, niin myös kehitti kuuluisan massan ja energian verrannollisuutta kuvaavan kaavansa E=mc². Nämä yksissään olisivat jo tehneet Einsteinista tunnetun ja tuoneet hänelle Nobel-palkinnon (jonka hän sai vuonna 1921).