Kontra kirjoitti: 26 Tammi 2025, 18:03
Tein yhteenvedon keskusteltani QS:n kanssa
Universumin aika gravitaation ja galaksiryhmien nopeuden funktiona
Ensin kaksi toisiaan kiertävää taivaankappaletta.
Otetaan analoginen esimerkki:
Kaksi vastakkain suunnattua kapeakeilaista radiolähetystä samalla taajuudella ja samanlaisella modulaatiolla lähettävät kumpikin omaa ohjelmaansa. Kummallakin lähetyksellä on kuuntelija kaukana toisen lähettimien takana niin, ettei lähettimen hajasäteily saavuta kuuntelijaa. Kun säteilyt etenevät samassa tilassa vastakkain ja ovat samalla taajuudella, ne eivät kuitenkaan häiritse toistensa ohjelmia? Vaikka radiosignaalit liikkuvat samassa avaruuden tilassa, ne eivät kumoa toisiaan, eivätkä summaudu keskenään.
Kun em taivaankappaleiden gravitaatiot ovat yhtä suuret Lagrangen pisteessä, gravitaatiot eivät sammuta toisiaan, kuten eivät radiosignaalitkaan, mutta niiden kohdistamat vetovoimat pisteessä olevaan kappaleeseen kumoavat toisensa, ja kappale pysyy paikallaan (tai lähes paikallaan) ko taivaankappaleiden suhteen.
GPS satelliitti on painottomassa tilassa radallaan. Kun keskeisvoiman vastavoima aiheuttaa yhtä suuren vastakkaisen voiman Maan gravitaatiovoimalle, miten se kokee Maan gravitaation? Kun laskettiin satelliitin kellon rukkaustarvetta Maan aikaan verrattuna, laskuissa laskettiin aikaa hidastavana tekijänä sekä gravitaation että nopeuden hidastavat vaikutukset.
Lagrangen pisteessä aika hidastuu, kuten se hidastuu GPS satelliitissa, vaikka toinen vastasuuntainen gravitaatio vaikuttaa siihen, kuten keskeisvoiman vastavoima GPS-satelliitissa.
Kun kaksi gravitaatiota vaikuttaa pisteessä samanaikaisesti, hidastuuko aika enemmän kuin vain toisen gravitaation vaikutuksessa?
Kun ajatellaan vaikka Linnunrataa, jokainen tähti vaikuttaa gravitaatiollaan, jolloin yhteen tähteen vaikuttaa kaikkien tähtien gravitaatiot, ja pitävät Linnunradan koossa sen pyöriessä. Aika vastaavasti hidastuu sitä enemmän Linnunradan sisällä, mitä tiheämmässä tähdet ovat, eli keskustaa kohti aika koko aja hidastuu enemmän ja enemmän.
Vastaavasti galaksiryhmissä aika hidastuu ryhmän keskustaa kohti enemmän ja enemmän. Samoin tapahtuu koko universumissa - galaksiryhmät gravitaatiollaan aiheuttavat niiden välisessä avaruudessa gravitaation, joka muinaisissa universumeissa oli sitä suurempi, mitä tiheämmässä galaksiryhmät olivat.
Universumissa BB:n aikana galaksiryhmien saaman kiihtyvyyden tuottama ajan hidastuminen lisää osaltaan ajan hidastumista galaksiryhmien nopeuksien funktiona aikadilataation yhtälön mukaisesti.
Kosminen punasiirtymä antaa tietoa ajan hidastumisesta universumin ikääntyessä nykypäivää kohti.
* Alla on lueteltu tekstin keskeisimmät ongelmat ja väärinkäsitykset. Mukana on myös lyhyt selitys siitä, miten asiaa tulisi fyysisesti ymmärtää. Mainittakoon, että joissain kohdissa teksti sivuaa oikeita ideoita, mutta niiden esitystapa tai yksityiskohdat menevät pieleen.
1. Radiosignaalien vertaus gravitaatioon
Väite tekstissä: "Kaksi vastakkain suunnattua kapeakeilaista radiolähetystä samalla taajuudella eivät häiritse toisiaan, eivätkä kumoa tai summaudu keskenään. Sitä verrataan siihen, etteivät kahden taivaankappaleen gravitaatiot ‘kumoaisi’ toisiaan."
Ongelmakohta:
Elektromagneettiset aallot (kuten radioaallot) kyllä interferoivat, eli ne summautuvat vektorisuuruisina kenttinä. Todellisuudessa kahden eri lähettimen epäkoherentit signaalit keskimäärin eivät muodosta stabiilia häiriö- tai interferenssikuviota, mutta hetkellisesti ne voivat häiritä tai vahvistaa toisiaan.
Gravitaatio ei ole pelkkä voima, jota voisi “peruuttaa” pois yksiselitteisesti kuten vektorivoimat lineaarialgebrassa. Sitä kuvataan yleisessä suhteellisuusteoriassa avaruuden kaareutumana, ja painovoimapotentiaalit käytännössä lisääntyvät (tai oikeastaan, avaruuden kaareutuminen summautuu).
Mitä pitäisi huomioida:
Radiolähetysten vertaaminen gravitaatiokenttien superpositioon on harhaanjohtavaa. Gravitaatiossa käytetään mieluummin potentiaalien superpositiota (Newtonin likimäärä), mutta se ei ole sama asia kuin elektromagneettinen interferenssi.
2. Lagrangen pisteet ja ”voimien kumoutuminen”
Väite tekstissä: "Kun kahden taivaankappaleen gravitaatiot ovat yhtä suuret Lagrangen pisteessä, ne eivät sammuta toisiaan kuten eivät radiosignaalitkaan, mutta vetovoimat kohteeseen kumoavat toisensa."
Ongelmakohta:
Lagrangen pisteet L1, L2, L3 eivät synny pelkästään siksi, että “kaksi gravitaatiovoimaa ovat yhtä suuria ja vastakkaisia”. Lagrangen pisteiden olemassaoloon vaikuttaa myös kiertoliikkeeseen liittyvä (kiertävästä viitekehyksestä tarkasteltava) ns. keskipakoisilmiö.
Erityisesti L1, L2 ja L3-pisteissä ”tasapaino” syntyy näiden gravitaatiovoimien ja kiertävän viitekehyksen näennäisvoimien yhteisvaikutuksesta. Siinä mielessä pelkkä “kaksi voimaa kumoaa toisensa” on liian yksinkertainen selitys.
Mitä pitäisi huomioida:
Täsmällisempi analyysi käyttää kiertävää koordinaatistoa: gravitaatiot + pyörimisestä johtuva ”keskipakoisvoima” (fiktiivinen voima) yhdessä selittävät L-pisteet. Ei ole kyse yksinkertaisesta ”yhtä suuret ja vastakkaiset” -asetelmasta lineaarisesti.
3. GPS-satelliitin ”painottomuus” ja gravitaation ”kumoutuminen”
Väite tekstissä: "GPS-satelliitti on painottomassa tilassa radallaan, ja keskeisvoiman vastavoima aiheuttaa yhtä suuren vastakkaisen voiman Maan gravitaatiolle."
Ongelmakohta:
Satelliitin vapaakappaletila (eli ”painottomuus”) ei johdu siitä, että jokin oikea voima kumoaisi painovoiman, vaan satelliitti on jatkuvasti vapaassa pudotuksessa. Liike on kiertoradalla, joten ”keskivoima vs. keskipakoisvoima” -ajattelu on vain pyörivän koordinaatiston tulkintaa.
Gravitaation potentiaalilla on merkitys aikaan: satelliitin kellon gravitaatiokorjaus johtuu siitä, että se on Maan potentiaalikaivon yläpuolella (vähemmän syvällä). Lisäksi siihen vaikuttaa satelliitin nopeus (special relativistic time dilation).
Mitä pitäisi huomioida:
Kun lasketaan GPS-kellojen korjaukset, huomioidaan sekä gravitaatiopotentiaalin ero Maan pinnan ja satelliitin välillä että satelliitin liikkeen aiheuttama erikoissuhteellisuusteorian mukainen aikadilaatio.
Ei pidä sekoittaa ”painottomuutta” (vapaa pudotus) siihen, että voimat kirjaimellisesti kumoaisivat toisiaan reaalisessa mielessä.
4. Ajan hidastuminen Lagrangen pisteessä
Väite tekstissä: "Lagrangen pisteessä aika hidastuu, kuten se hidastuu GPS-satelliitissa… Kun kaksi gravitaatiota vaikuttaa samanaikaisesti, hidastuuko aika enemmän kuin vain toisen gravitaation vaikutuksesta?"
Ongelmakohta:
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan ajan kulku riippuu (lokaalisti) gravitaatiopotentiaalista. Jos analysoidaan kahden massan muodostamaa järjestelmää Newtonin potentiaaleilla, potentiaalit yhteensä summataan. Mutta se, missä kohtaa potentiaali on syvin, ei ole yksinkertaisesti ”kahden erisuuntaisen voiman kohta”.
Lagrangen pisteessä ei yleensä ole absoluuttisesti syvin potentiaalin minimi tai maksimi, vaan tasapainotila kiertävässä viitekehyksessä. Se ei välttämättä tarkoita, että aika hidastuisi erityisen paljon siellä verrattuna muualle.
Mitä pitäisi huomioida:
Aika hidastuu sitä enemmän, mitä syvemmässä gravitaatiopotentiaalissa ollaan (ja/tai mitä suuremmalla nopeudella liikutaan). Kahden kappaleen vetovoimat voivat summata potentiaalin mielessä, mutta Lagrangen piste ei tässä ole mikään erityinen ”kaksoisgravitaation maksimikohta” aika-efektin suhteen.
5. Linnunradan (tai galaksin) keskusta ja ajan hidastuminen
Väite tekstissä: "Aika hidastuu sitä enemmän, mitä tiheämmässä tähdet ovat (esim. galaksin keskusta)."
Ongelmakohta:
On totta, että galaksin keskustassa (etenkin massiivisen mustan aukon läheisyydessä) gravitaatiopotentiaali on syvempi, jolloin ajan kulku suhteessa kauas galaksin ulkopuolelle on hitaampaa.
Kuitenkin pelkkä ”tähtien tiheys” ei aina suoraan kerro potentiaalin syvyydestä, koska massajakauma on kokonaisuudessaan huomioitava (myös mahdollinen pimeä aine, kaasupilvet jne.). Tiheä tähtikertymä tarkoittaa yleensä, että potentiaali on syvempi, mutta galaksissa pyörimisnopeudet ja massakeskittymän rakenne ovat monimutkaisia.
Mitä pitäisi huomioida:
Perusajatus: mitä syvemmällä ollaan massakeskittymässä, sitä suurempi gravitaatiopotentiaalin (negatiivinen) arvo, sitä enemmän paikallinen aikavirhe verrattuna hyvin kaukaiselle referenssille.
Kuitenkin lineaarinen tiheysargumentti voi johtaa harhaan. Tarvitaan koko massajakautuman tarkempi analyysi.
6. Galaksiryhmät, universumin laajeneminen ja ”ajan hidastuminen”
Väite tekstissä: "Galaksiryhmissä aika hidastuu ryhmän keskustaa kohti enemmän ja enemmän, samoin universumissa laajemmin… Muinaisissa universumeissa gravitaatio oli suurempi, kun galaksiryhmät olivat tiheämmässä."
Ongelmakohta:
Paikallisella tasolla (esim. galaksiryhmän tai klusterin sisällä) voimakas massakeskittymä voi kyllä tarkoittaa syvempää potentiaalia → jonkin verran suurempaa relativistista aikadilataatiota, kun verrataan kauas massakeskuksen ulkopuolelle.
Koko universumin mittakaavassa käytetään kosmologisia malleja (Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker-malli), joissa laajeneminen on hallitseva tekijä. Yleinen aikadilaatio esimerkiksi punasiirtymissä (z) johtuu siitä, että avaruus laajenee valon kulkiessa. Se ei ole sama asia kuin ”galaksiryhmän vetovoiman aiheuttama lisähidastuma”.
Alkuräjähdyksen (BB) jälkeen maailmankaikkeuden tiheys oli suuri, mutta silloinkaan aikadilaatio ei yksinkertaisesti ”kasva galaksiryhmien tiheyden funktiona” lineaarisesti. Rakenne ei vielä alkuvaiheessa ollut edes galakseiksi tiivistynyt.
Mitä pitäisi huomioida:
On tärkeää erottaa paikallinen gravitaatiopotentiaali (ja siitä johtuva aikaero) vs. kosmologinen laajeneminen (ja siitä johtuva punasiirtymä).
Varhaisina aikoina aineen (ja säteilyn) tiheys oli suuri, mutta galaksien ja ryhmien muotoutuminen tapahtui vasta myöhemmin.
7. ”Galaksiryhmien nopeus” ja relativistinen aikadilaatio
Väite tekstissä: "Galaksiryhmien kiihtyvyys ja nopeus tuottaa ajan hidastumista galaksiryhmien nopeuksien funktiona."
Ongelmakohta:
Jos galaksit liikkuisivat lähellä valonnopeutta toisiinsa nähden, toki special relativistic -tyyppinen aikadilaatio olisi suuri mitattaessa toisen galaksin kelloja. Reaalimaailmassa galaksiryhmien keskinäiset nopeudet ovat harvoin niin valtavia, että se tuottaisi merkittävän SR-aikadilaation (poislukien hyvin kaukaisten kohteiden punasiirtymät, joissa kuitenkin avaruuden laajenemisella on iso rooli).
Myös ”galaksiryhmien kiihtyvyys” -ajatus on kosmologiassa monimutkainen. Laajenemista ei yleensä käsitellä Newtonilaisena kiihtyvyytenä, vaan avaruuden mittakaavan venymisenä.
Mitä pitäisi huomioida:
Kosminen punasiirtymä nähdään usein ”näennäisenä nopeutena” (Hubble’n laki), mutta se ei ole sama asia kuin tavallinen liikenopeus Minkowskin avaruudessa. Kaukainen galaksi voidaan karkeasti sanoa ”pakenevan” valonnopeudella, vaikka se kosmologisesti johtuukin avaruuden laajenemisesta.
Aikadilaatio supernovien valokäyrissä johtuu universumin laajenemisesta; se on empiirisesti havaittu, muttei selity pelkillä ”galaksin nopeuksilla” Newtonilaisessa mielessä.
8. Kosminen punasiirtymä ja ajan hidastuminen
Väite tekstissä: "Kosminen punasiirtymä antaa tietoa ajan hidastumisesta universumin ikääntyessä nykypäivää kohti."
Ongelmakohta:
Punasiirtymä (z) voidaan kyllä yhdistää siihen, että etäisyyden päästä lähetetyt tapahtumat näyttävät meille ajoitukseltaan venyneiltä: esim. kaukaisen supernovan valokäyrä venyy punasiirtymän verran. Tätä voi kutsua ”kosmologiseksi aikadilataatioksi.”
Tekstissä sekoittuu kuitenkin helposti paikallinen gravitaatioperäinen aikadilaatio ja kosmologinen aikadilaatio. Ne ovat eri ilmiöitä, vaikkakin molemmat voidaan jossain mielessä tulkita ”ajankulun muutoksena.”
Mitä pitäisi huomioida:
Kyllä, kaukaisten supernovien valokäyrät havaitaan venyneiksi tekijällä 1+z. Se on osa havaittua kosmista aikadilataatiota. Mutta se ei kerro, että ”galaksiryhmät itsessään” olisivat liikkeensä tai paikallisen gravitaation vuoksi hitaassa ajassa, vaan kyse on laajenemisen tuomasta skaalautumisesta signaaliin matkalla meille.
Yhteenveto:
Tekstin pääasialliset virheet ja väärinkäsitykset liittyvät siihen, että se:
- Sekoittaa paikallisen gravitaatiokentän (ja potentiaalin) vaikutuksia sekä kosmisen laajenemisen tuomia ilmiöitä (kuten punasiirtymä).
- Käyttää väärää analogiaa radiosignaalien interferenssin ja gravitaatiovaikutusten välillä.
- Yksinkertaistaa liikaa Lagrangen pisteiden syntymekanismin (”voimat kumoavat toisensa”) ja painottomuuden luonteen (GPS-satelliitti vs. keskipakoisvoima).
- Ylimalkaistaa gravitaatiopotentiaalin summautumisen: kahden kappaleen yhtä suurien gravitaatioiden ”kumoaminen” ei tarkoita samaa asiaa kuin syvin potentiaali tai suurin aikahidastus.
Väite, että galaksiryhmien “kiihtyvyys” selittäisi universumin aikadilaatioita, on ristiriitainen suhteessa vallitsevaan kosmologiseen malliin, jossa avaruus laajenee pikemminkin kuin että galaksit lentäisivät “normaalilla” kiihtyvyydellä toisiaan karkuun.
Lyhyesti: tekstin suurin ongelma on, että se yrittää yhdistellä toisiinsa paikallista (Newtonilaista) gravitaatiokuvausta, yleisen suhteellisuusteorian gravitaatiopotentiaalia, kosmologista laajenemista, punasiirtymää ja interferenssi-analogiaa tavalla, joka johtaa useisiin väärinkäsityksiin. Aihe sinänsä (ajan kulun erilaiset hidastumistavat) on kiinnostava, mutta fysiikan yksityiskohdat eivät toimi tekstin kuvaamalla tavalla.
* Vastineen tehokkaaseen laadintaan hyödynsin AI-generaatiota.
