Yleinen suhteellisuusteoria ja massa

Valtavirta-kosmologian kulmakiven, Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan, massalla on kyky kaareuttaa aika-avaruutta. Aika-avaruuden kaareutuminen aiheuttaa yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaation, joka ei siis ole voima, kuten Newtonin fysiikassa. Mitä suurempi massa on kyseessä, niin sitä suuremman kaareutumisen sen katsotaan aiheuttavan. Tämä voidaan visualisoida kaksiulotteisesti alla olevalla kuvalla, mutta käytännössä tämän ”kaareutumiskoordinaatiston” tulisi olla kolmiulotteinen.

Kaksiulotteinen visualisaatio aika-avaruuden kaareutumisesta. Wikipedia Commons. Created by User:Johnstone.

Toisin sanoen minkään voiman ei katsota vaikuttavan esimerkiksi putoavaan kiveen, vaan kivi seuraa kaareutunutta aika-avaruuden koordinaatistoa. Kunnollista mekanismia tälle kaareutumiselle ei ole koskaan kuitenkaan osattu antaa, ja esimerkiksi Wallace Thornhill on kritisoinut tätä käsitettä kysymällä, miten vailla ominaisuuksia oleva abstrakti käsite, avaruus voi ylipäätään kaareutua? ​1​

Gravitaatio ja valon taittuminen

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan valo seuraa aika-avaruuden kaarevuutta. Einstein ei kuitenkaan ollut ensimmäinen, joka tätä ehdotti. Isaac Newton pohdiskeli samaa asiaa jo vuonna 1704 teoksessaan Opticks: ”Eivätkö kappaleet vaikuta valoon etäisyyden päästä, ja vaikutuksellaan taivuta valoa; ja eikö tämä vaikutus ole voimakkainta lyhimmällä etäisyydellä?”​2​

Gravitaation aiheuttama valon taittuminen oli aluksi puhtaasti hypoteettinen ajatus, mutta ajatus sai tukea havainnoista, joissa tähden tai galaksin huomattiin taivuttavan takana olevan kohteen valoa. Taipunut valo saattoi saada esimerkiksi Auringon takana olevan kohteen näkymään eri kohdassa kuin se oikeasti oli. Kyseinen ilmiö väitetysti ensimmäistä kertaa todistettiin Arthur Eddingtonin auringonpimennys-havainnolla, ja myöhemmin parempien teleskooppien avustuksella myös lukuisilla muilla havainnoilla. Tästä ilmiöstä tuli yleisen suhteellisuusteorian keskeisin todiste, ja sitä alettiin kutsua gravitaatiolinssiksi.

Eddingtonin kuva auringonpimennyksestä vuodelta 1919. F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson, Public domain, via Wikimedia Commons

Mistä tiedämme varmuudella, että kyseessä on gravitaation aiheuttama valon taipuminen, eikä esimerkiksi klassisen fysiikan optinen valon taittuminen? Suhteellisuusteorian kannattajat perustelevat asiaa sillä, että laskelmallisesti valon taittuminen esimerkiksi tähden ympärillä on suurempi​*​, kuin pelkkä optinen taittuminen voisi selittää.​2​ Kaikki eivät kuitenkaan ole olleet vakuuttuneita tästä selitysmallista.

Visualisaatio gravitaationlissistä, jossa kaukana olevan galaksin valo taittuu edessä olevan tähden gravitaatiokentässä. NASA.
Simulaatio galaksin edestä menevästä mustasta aukosta. Urbane Legend (optimised for web use by Alain r) Wikipedia commons.

Vaihtoehtoinen teoria valon taipumiselle

Artikkelissaan Lensing by Refraction…Not Gravity? Andrew Hall käsittelee vaihtoehtoista selitysmallia gravitaatiolinssinä pidetyille ilmiöille, joka selittää nämä havainnot ilman gravitaatiota. Hall viittaa muun muassa Institute of Engineering & Technologyn professori R.C. Guptan artikkeliin, jonka mukaan nämä ”gravitaatiolinssi-ilmiöt” voidaan selittää pelkällä klassisen fysiikan optisella taittumisella.​3​

Valon optinen taittuminen on hyvin tunnettu yleinen fysiikan ilmiö, jossa valo taittuu siirryttyään yhdestä väliaineesta toiseen eri tiheyksiseen väliaineeseen. Tämä pätee kaikkiin väliaineisiin, joita valo läpäisee. Oli kyseessä sitten vesi, ilma tai plasma. Professori Gupta artikkelissaan esittää, että tähden plasmasta koostuva atmosfääri on riittävä selittämään havainnot valon taittumisesta ilman hypoteettista gravitaation vaikutustakin. Guptan mukaan gravitaatiolinssi-selitys ei myöskään selitä havaittua valon diffraktiota, sillä gravitaation tulisi taivuttaa samalla tavalla kaikkia valon aallonpituuksia. Optiseen selitysmalliin tämä ilmiö sopii kuitenkin täydellisesti​†​. ​3​

Valon taittuminen vedessä. Veden alla oleva kynä näyttäytyy havaitsijalle eri kohdassa, kuin se oikeasti on. User:Theresa_knottderivative work: Gregors (talk) via Wikimedia Commons

Optinen taittuminen ja gravitaatiolinssin aiheuttama taivuttaminen eroavat toisistaan myös merkittävällä tavalla. Gravitaatiolinssissä ei ole yhtä fokusta, ja valon taipuminen on voimakkainta lähimpänä gravitaationlinssin keskusta (esim. Aurinko tai muu massiivinen kohde) ja heikointa reunoilla. Klassisen optiikan valon taittuminen päinvastoin on heikointa linssin keskellä ja voimakkainta sen reunoilla. Tämän faktan avulla voimme joissakin tapauksissa päätellä kummasta on kyse.​‡​

Juuri näin teki Tohtori Edward Dowdye, joka tutki valon taittumista Auringon atmosfäärissä. Dowdyen havainnot tukivat juuri valon optista taittumista, eivätkä gravitaatiolinssiä. Tämän lisäksi Dowdye kysyy erittäin oleellisen kysymyksen. Miksemme havaitse gravitaatiolinssivaikutusta galaksimme keskustan lähellä olevissa tähdissä, sillä yleisen suhteellisuusteoria-kosmologian mukaan galaksien keskustassa on musta aukko, jonka gravitaation tulisi aiheuttaa huomattavan gravitaatiolinssi-vaikutuksen lähellä oleville tähdille. Näin ei kuitenkaan tapahdu. Siitäkään huolimatta, että astronomit ovat seuranneet näitä tähtiä jo pidemmän aikaa, ja osa niistä on ehtinyt tehdä jo täyden kierroksen elliptisillä kiertoradoillaan galaksin ytimen ympäri. ​4​

Jälleen kerran meillä on esimerkki ilmiön tulkinnasta, joka on otettu varmana todisteena yleisestä suhteellisuusteoriasta sen sijaan, että annettaisiin tilaa myös muille selitysmalleille. Erityisesti kun toinen selitysmalli näyttää selittävän monet osaseikat ja havainnot paremmin kuin tämä eksoottinen standardi-malli, josta on tullut virallisen kosmologian kulmakivi. Asiaa korostaa vielä se tosiasia, että gravitaationlinssiä pidetään yhtenä parhaista yleisen suhteellisuusteorian todisteista. Tämänkin osoittautuessa yhdeksi valtavirtakosmologian illuusioksi, voidaan koko astrofysiikan vallitseva paradigma jälleen asettaa kyseenalaiseksi.


  1. ​*​
    Einsteinin teoria ennustaa valon taipumisen tähden ympärillä kaavalla 4GM/c2R, kun perinteisellä newtonilaisella mekaniikalla se olisi 2GM/c2R.
  2. ​†​
    Optisella taittumisella voidaan selittää myös niin kutsuttu ”Einsteinin risti”, jossa esimerkiksi tähden tai galaksin takana oleva kohde näkyykin monena kuvana tämän etualalla olevan kohteen ympärillä. Optinen taittuminen selittää paremmin myös sen, miksi Einsteinin ristissä valon taajuudet ovat muuttuneet ja kohde voi näkyä esimerkiksi sinisenä.
  3. ​‡​
    Täytyy kuitenkin ottaa huomioon, että esimerkiksi Auringon plasma-huntu eli korona on tiheämpää lähempänä Auringon pintaa ja heikkenee mentäessä ulos päin eli senkään optinen taittaminen ei toimi täysin samalla tavalla kuin yhdenmukaisen optisen linssin.
  1. 1.
    Thornhill W. Gravitational Waves. Holoscience. Published February 2016. Accessed November 2020. https://www.holoscience.com/wp/gravitational-waves/
  2. 2.
    Schneider P, Ehlers J, Falco EE. Gravitational Lenses. Springer; 1999.
  3. 3.
    Gupta RC. Bending of Light Near a Star and Gravitational Red/Blue Shift : Alternative Explanation Based on Refraction of Light. arxiv.org. Accessed November 2020. https://arxiv.org/ftp/physics/papers/0409/0409124.pdf
  4. 4.
    Dowdye E. Dr. Ed Dowdye: Solar Gravitation and Solar Plasma Wave Propagation Interaction | EU2014. Youtube. Published June 2014. https://www.youtube.com/watch?v=CnvOybT2WwU