Merkuriuksen kiertorata heiluu hitaasti auringon ympärillä, ja kun astronomit vähentävät kaikkien muiden aurinkokuntamme planeettojen vedon, Newtonin omat yhtälöt silti jäävät 43 kaarisekuntia vuosisadassa havaituista heilahduksista. Se kuulostaa pyöristysvirheeltä. Se on itse asiassa halkeama, joka lopulta pakotti fyysikot kirjoittamaan painovoiman uudelleen alusta.
Painovoima pitää kuut kiertoradalla, pitää joet juoksemassa alas rinteille ja pitää jokaista lukijaa tuolillaan, mutta se vaati yli tuhannen vuoden arvailuja, yhtä Newtonin yhtälöä ja yhtä patenttitoimen virkailijan päivä-unia Bernissä toimivan kuvauksen saamiseksi. Silti painovoima osoittautui niin oudoksi, että sen veto kahden elektronin välillä on vain 1 osa 4,17×10⁴²:sta sähköisestä hylkimisestä niiden välillä — voima, joka on niin heikko atomisella asteikolla, että sen hallitseminen planeetoista ja galakseista voidaan tuntea ristiriidalta.
Tässä on, mitä tietue oikeasti paljastaa: kuka arvasi painovoiman vuosisatoja ennen Newtonia, kuinka hänen lakiaan testattiin ja missä se hajosi, sekä mitä se korvasi.
Painovoiman Pitkä Esihistoria
Ajatus siitä, että asiat putoavat maahan, on vanha, mutta ajatus siitä, että painovoima voisi toimia samalla tavalla kaikkialla, on paljon vanhempi kuin Newton. Intian matemaatikko ja tähtitieteen Brahmagupta, joka kirjoitti vuonna 628 jKr., kuvaili painovoimaa vedoksi, joka vetää kohteita kohti maata — hän kutsui sitä gurutvakarshaksi, termiksi, joka edeltää Newtonin Principiaa yli tuhannen vuoden.
Kauan ennen kuin joku pystyi mittaamaan painovoimaa tarkasti, jonkun oli osoitettava, että sen veto ei riipu kohteen painosta. Vuonna 1586 flaamilainen fyysikko Simon Stevin pudotti kaksi hyvin eri kokoista ja painoista kuulaa tornia Delftissa ja havaitsi, että ne osuivat maahan lähes samaan aikaan, suoraan havaittu osoitus siitä, että paino yksin ei päätä, kuinka nopeasti jokin putoaa.
Newtonin Yhtälö, Testattu Kellarissa
Isaac Newton taitti havainnot, kuten Stevinin, yhdeksi laiksi Philosophiae Naturalis Principia Mathematica -teoksessa, kirjassa, jonka hän julkaisi 5. heinäkuuta 1687. Se pelkisti painovoiman yhteen siistiin kaavaan, F = Gm1m2/r², jossa G on vakio, joka on asetettu 6,674×10⁻¹¹:ksi — numero niin pieni, että sen vaikutus kahden jokapäiväisen kohteen välillä on lähes mahdotonta tuntea.
Newton ei koskaan mitannut G:tä itse. Kesti yli vuosisadan, ennen kuin Henry Cavendish, brittiläinen tiedemies, toteutti Newtonin painovoimalaista ensimmäisen laboratoriotestin: vuonna 1798 hän punnitsi lyijypalloitta toisiaan vasten näyttääkseen, että sama voima, joka vetää planeettoja yhteen, vaikuttaa myös pöydän kohteisiin.
Ennustetusta Planeetasta Selittämättömään Heilahdukseen
Newtonin laki oli tarpeeksi tarkka tehdäkseen jotain merkittävää: löytää planeetan, jonka kukaan ei ollut koskaan nähnyt. Vuonna 1846 John Couch Adams ja Urbain Le Verrier, työskennellen itsenäisesti tähtitieteilijöinä, laskivat, missä näkymätön keho oli vedettävä naapuriplaneetansa kiertoradalla, ja kaukoputki, joka osoitettiin tuohon taivaanpalaan, löysi Neptunuksen lähes päivässä.
Mutta sama laki tuotti pienen, jatkuvan ristiriidan paljon lähempänä kotiaan. Kun kaikkien muiden planeettojen painovoimavedon vähentää Merkuriuksen kiertoradalta, Newtonin yhtälöt silti jäävät havaituista heilahduksista 43 kaarisekuntia vuosisadassa — liian pieni, jotta se merkitsisi useimmille tarkoituksille, mutta liian suuri, jotta fyysikot voisivat vain silmistää.
Einsteinin Uusi Putoamisen Kuva
Ratkaisu tuli lopulta Bernin patenttitoimen virkailijalta. Vuonna 1905 Albert Einstein julkaisi artikkelin, joka esitteli erityisen suhteellisuusteorian, muuttaen sitä, kuinka fyysikot ajattelivat avaruudesta ja ajasta.
Kaksi vuotta myöhemmin hänellä oli se, mitä hän myöhemmin kutsuisi elämänsä onnellisimmaksi toteutukseksi: joku vapaassa pudotuksessa tuntee painottomuutta, ikään kuin painovoima olisi yksinkertaisesti sammunut heille. Tämän idean työskentely matematiikan läpi kesti kahdeksan vuotta, ja Einstein ei julkaissut valmiista yleisen suhteellisuusteorian lakia vuoteen 1915 asti.
Uusi teoria ansaitsi paikkansa lähes välittömästi. Sen ennusteet vastasivat Merkuriuksen outoa kiertoradan heilahdusta, ja ne selittivät myös, miksi tähtivalo taipuu kulkiessaan lähellä aurinkoa — sulkien tarkan kuilun, jonka Newtonin yhtälöt eivät koskaan voineet ottaa huomioon.
Kuunnella Aika-avaruuden Aaltoiluja
Yleinen suhteellisuusteoria ennusti myös, että massiiviset, kiihtyvät esineet pitäisi ravistaa aika-avaruutta itseään, lähettäen gravitaatioaaltoja. Ensimmäinen todiste tästä tuli epäsuorasti: tähtitieteilijät Hulse ja Taylor seurasivat binaarista pulsaria PSR1913+16, jonka he olivat löytäneet vuonna 1974, ja katsoivat sen kiertoradanpienenevän juuri sillä nopeudella, jonka gravitaatioaaltojen lähettäminen ennustaisi. Löytö ansaitsi heille 1993 Nobelin fysiikan palkinnon.
Suora todiste odotti toista sukupolvea. LIGO- ja Virgo-yhteistyöt ilmoittivat 11. helmikuuta 2016, että he olivat havainneet todellisen gravitaatioaallon: signaalin nimeltä GW150914, joka saapui 14. syyskuuta 2015 klo 09:50:45 GMT. Sen tuottivat kaksi mustaa reikää, joiden massa oli 29 ja 36 kertaa auringon massa, kiertäen yhteen ja sulautuen noin 1,3 miljardi valovuoden päähän maasta.
Painovoima Riippuu Siitä, Missä Seisot
Ilman planeettaa lähtemätäkään painovoima ei ole kiinteä luku. Maan veto vaihtelee noin 0,7 prosenttia koko pinnan yli, minimiosta 9,7639 m/s² Perun Nevado Huascaránin huipulla maksimiin 9,8337 m/s² Arktisenmerella.
Nämä kohoannot ja painannukset näkyvät selvästi satelliittipainovoimakartalla, joille annetaan kunnia CHAMP- ja GRACE-tehtäville yhdessä GFZ-, NASA- ja DLR-virastojen kanssa, jotka paljastava, miksi jotkut maan laajavat vetävät hieman kovemmin kuin toiset. Kartta levisi laajasti sen jälkeen, kun se tuotettiin vuonna 2005, ja vielä herkempi versio seurasi vuonna 2011, kun instrumentit paranivat.