Avaruushissi, avaruustorni ja painottomuus

Nykyisin maata kiertävälle radalle ammutaan satelliitteja. Tämä on melko kallista puuhaa. Avaruusraketit ovat hinnakkaita. Sen vuoksi on arvioitu, että maa joka saa ensimmäisenä rakennettua ns. avaruushissin saavuttaisi helposti monopoliaseman satelliittialalla. Sillä vaikka hissi on teknisesti vaativa innovaatio ja hirvittävän kallis rakentaa, sen valmistumisen jälkeen satelliitin lähettäminen on todella edullista. Juuri kukaan ei kykene kilpailemaan.

Olisi toki kiinnostavaa rakentaa avaruushissi vaikkapa Enontekiöille. AInakin keskustapuolue kiittäisi, tekisi hyvää maaseudulle ja kansantaloudelle ja mahdollistaisi Paavo Väyryselle uran jossa hän pääsisi Paavo Väyryseksi Paavo Väyrysen paikalle, joka on presidentinpaikka pitkäikäisestä suvusta. Enontekijöistä tulisi helposti huipputekninen tiedonsiirtomaailman keskus, Paavo Väyrysestä onnellinen. Ja meistä muista ehkä vähän vähemmän. Mutta avaruushissien olisi sijaittava päiväntasaajalla, joten Jumala tai luonnonlait ovat rankaisseet aika ikävästi Enontekiöläispoloja, jotka eivät ole tehneet mitään (ainakaan monet) ansaitakseen kohtaloaan paikkana jonne ei voi rakentaa avaruushissiä.

Saavutettu etu ja monopoliasema on haluttava, taloudelliset edut ovat kovat joten riskisijoittajia taatusti tulee. Tämä tarkoittanee, että on hyvinkin mahdollista,e ttä avaruushissi valmistuu joskus. Ja se tarkoittanee myös sitä, että maantiede tulee oleelliseksi osaksi politikointia. - Esimerkiksi Afrikassa on paljon päiväntasaajaa, mutta ei teknologiaa. Mutta riistettäviä, köyhiä ja epätoivoisia ihmisiä siellä on. Joten avaruushissi on vain ajan kysymys.

Jos teknologiasta jatkaisi tekologiikkaan voisi huvitella ajatuksesta jossa tulevaisuudessa olisi jonkinlainen avaruushissi ja sen huoltamisen ja korjaamisen vuoksi sen ympärillä olisi torni joka yltäisi nykyisten avaruusasemien korkeudelle asti.

Ensimmäinen mielikuva siitä kun joku lähtisi maan tasalta kiipeämään tornin huippuun olisi se, että aluksi putoaminen olisi vaarallista. Maan vetovoima vetäisi maata kohden. Sitten putoaja saavuttaisi rajanopeutensa, ja putoaisi maksimivauhtia. Mutta jossain sitten leijuttaisiin kun ei ole gravitaatiota. Ja mitä tässä välillä tapahtuu? Onko jokin hitaan putoamisen alue jossa voisi rämpiä ja kenties pelastaa itsensä ennen kuin putoaa nopean putoamisen alueelle.

Tämänlainen ajatus on harhaa. Sillä tosiasiassa avaruudessa riittää gravitaatiota. On itse asiassa illuusio että esitetään, että avaruuslentäjät olisivat painottomuudessa. Tosiasiassa auringolla on massaa joka vaikuttaa maahan, kuu toimii maan ja auringon vetovoimalla. Joten tottakai tässä välissä on vetovoimaa joka tehoaa astronauttiin. Tornissa ylös kiipeävä ei huomaisi suurtakaan eroa, valtaosa maan vetovoimasta on sellaisenaan jäljellä. Jos ihminen haluaisi hypätä avaruushissitornin huipulta avaruusasussaan leijumaan avaruuteen, hän putoaisi vauhdilla maata kohden.

Itse asiassa likimain 90% maan vetovoimasta vaikuttaisi, joten hän voi hakea lohtua lähinnä King Kongista ja siitä että ihmisen havainnointikyvyllä on rajoituksia.
* "Science 2.0" nimittäin kertoo, että ihmisen havainnointikyvyllä on tiedostamisaika. Eikä tässä tarkoiteta sitä reagointiaikaa jonka voi havainnoida seuraamalla kun puoliso pysäyttää eteenpäinkelauksen mainoskatkon lopussa. Siis sitä viivettä kun havainto tapahtuu ja voit tehdä jotain. Reagoit mainoskatkon loppumiseen ja puolisosi pysäytykseen ja huomaat niissä viiveen. Ja huvittavinta on, että tämä reaktio tapahtuu myöhässä, koska sinulla on reagointiaika. Tässä tarkoitetaan aikaa joka hermoimpulssin eteneminen ja muu vaatii että asia voidaan tiedostaa. Tämän viiveen ansiosta on mahdollista kuolla ilman että ehtii tiedostamaan sitä. Täytyy vain hypätä tarpeeksi korkealta ja olet murskana kun aivosi vasta tiedostavat olevasi vaikka 9 metrin korkeudessa. Eli ei se putous, ei se äkkipysäyskään, vaan se tietoisuuden loppuminen.
* King Kong taas putosi Empire State Buildingin katolta. Tämä talo oli ensimmäinen niin korkea ihmisen tekemä rakennus, jonka huipulta putoava ehti saavuttaa rajanopeuden. Kaikki ylimääräinen matka avaruusasematasolle asti tarjoaa siis vain aikaa katsoa maisemia, ei nopeuden kiihtymistä. On tavallaan lohdullista, että King Kong ei siis kenties ehtinyt tiedostaa omaa kuolemaansa, ja hänen kuolemansa oli tuskallinen lähinnä puhtaanapitolaitokselle. Tämä on hyvä asia koska eläinten hyvinvointi on minulle tärkeä asia, ja toisaalta Kongista tavattu tehdä kaiken kaikkiaan varsin sympaattinen olento.

Mutta miksi avaruuslentäjät sitten leijuvat? Samasta syystä miksi nollapainovoimakoneissa olevat leijuvat. Kysymys ei ole ulkoavaruudesta vaan putoamisesta. Kun harjoitellaan painottomuutta varten, lennetään koneella korkealle ja annetaan sen olla jonkin aikaa vapaassa pudotuksessa. Koneen sisällä kaikki vaikuttaa painottomalta. Illuusio ei näytä yhtä mukavalta jos voisi katsoa ulos lentokoneen ikkunasta. Sillä gravitaatio imee täydellä tehollaan ja se mikä tässä prosessissa sitten koetaan on 0:n G:n voima.

Avaruusasemissa tapahtuu sama. Ne ovat kiertoradalla, hyvin nopeassa liikkeessä. Ne ovat saavuttaneet pakonopeuden, joka tarkoittaa sitä että ne putoavat maata kohden koskaan osumatta siihen.  Illuusio särkyisi, jos avaruushissitornin huipulla oleva suisidaalikko näkisi kun avaruusalus suhahtaisi ohi. Älytöntä vauhtia viipottaisi ohi. Ei näyttäisi paikallaanolevalta.   Sillä avaruusasemalla leijumista miettiessä tärkeintä ei ole edelleenkään se nopeus, vaan edelleenkin se äkkipysäys. Se äkkipysäys on se G -voima jonka me tunnemme. Gravitaatio ei siis ole sama kuin G -voima.

Pudotessa sitä kokee vain painottomuutta. Ja jos putoaa tarpeeksi korkealta, ei enää koe mitään muuta. Ja tässä mielessä Epikuros oli harvinaisen oikeassa sanoessaan että ihmisen ei tarvitse pelätä kuolemaa, koska elossaollessaan hän ei koskaan kohtaa sitä. ; Hän on oikeassa, ainakin jos kysymyksessä on riittävän korkealta putoaminen.
1: Tai oikeastaan tämäkin ehdoilla. Jos Bowien laulussa esiintyvä Major Tom löisi kättä avaruushissin ympärille rakennetun tornin huipulla olevan kanssa, impakti olisi raju, sillä Majuri Tom kiitäisi kiertorataa koko ajan pudoten, kun taas avaruushissin huipulla olevan kohtalo seuraisi King Kongin opettamaa rataa. Korkeus ei ole niin tärkeä kuin liikesuunta. Molemmat lähtisivät avaruuden pimeydestä ja kävisivät samassa pisteessä. Toinen päätyisi maahan mielestään tarpeettoman nopeasti, toinen ei koskaan.

Kuinka lennetään putoamalla maata kohti osumatta siihen.

Olen aiemmin kirjoittanut jonkin verran Einsteinin oivalluksista. Erityinen suhteellisuusteoria oli tärkeä, koska se sovitti paradoksin ; sähködynamiikka ja Newtonin liikelakien väliset ristiriitaisuudet oikoutuivat. Kun kaksi vahvaa teoriaa ovat keskenään ristiriitaisia, on kyseessä paradoksi, jonka Einstein ratkaisi siten että kummastakaan teoriasta ei tarvinnut luopua.

Einstein kehitti myös yleisen suhteellisuusteorian - Theory of General Relativity : Teoria joka paradoksaalisesti ei sisällä mitään kenraaleista (General) eikä sukulaisista (Relatives) - joka oli laajempi kuin erityinen suhteellisuusteoria. Tässä hän keskittyi miettimään painovoimaa. Tässä Einstein ei keskittynyt ristiriitojen paikkaamiseen. Syynä oli se, että kappaleilla oli tavallaan "kaksi massaa". Kappaleella oli massan hitaus ja vetovoima joka käsitteli massojen välistä vuorovaikutusta ; Ja massan hitaus oli suoraan yhteydessä vetovoiman suuruuteen. Tälle yhteydelle ei tiedetty syytä. Einstein tavallaan tiivisti "kaksi yhteen".
1: Einsteinin kiinnostus aiheeseen voi kuitenkin olla "paradoksikeskeistä", koska hänen suppea suhteellisuusteoriansa ei sopinut yhteen vahvasti koetellun teorian, Newtonin painovoimalain, kanssa. Newtonin ideassa kaukovaikutus oli välitön, kun Einsteinin mielestä mikään signaali, häiriö tai muutos ei voi kulkea valoa nopeammin.

Einsteinin ratkaisu, keskittyminen ekvivalenssiperiaatteeseen, poisti tämän ongelman ; Ekvivalenssiperiaate tarkoittaa sitä että gravitaation aiheuttama voima ei eroa kiihtyvässä liikkeessä koetusta näennäisvoimasta ; Eli painovoiman ja tasaisesti kiihtyvän liikkeen vaikutuksia ei voida erottaa tosistaan kokeelisella testillä jos tarkastelussa rajoitutaan pieneen aika-avaruuden osaan. Erot saadaan selville vasta kun tarkastellaan hyvin laajasti, jolloin tarkastelu sidotaan johonkin toiseen kohteeseen/ toisiin kohteisiin, johon suhteessa muutokset tapahtuvat suhteessa näihin.

Eli takana oli ajatus, jota voidaan kuvailla esimerkiksi seuraavalla ajatusleikillä : Jos ihminen on avaruudessa kiihdyttävässä hississä, kiihtyvyys johtaa siihen että henkilö kulkee "kohti lattiaa". Tämä näyttää vetovoimalta. Samoin jos hissi lähtee vapaaseen pudotukseen, ihmiset leijuvat. Näin hississä on savolaisen vitsin tila, jossa se pudotus ei haittaa, vaan se äkkipysäys ; Jos hississä ei ole ikkunoita (kuten niissä yleensä ei ole) on mahdotonta erottaa johtuuko vetovoima kiihtyvyydestä vai massasta. Toki leijuminenkin on järkevää vain hissin mittakaavassa : Ulkopuolinen tarkastelija katsoisi että henkilö ja hissi kiitävät kiihtyvää nopeutta kohti maata. Hississä olevan leijunta johtuu siitä että hän tarkastelee itseään suhteessa hissiin. Syynä on siis tarkastelunäkökulma.

Tämä oivallus on ollut tärkeä ainakin mustien aukkojen kohdalla.

Laplace oli kehittänyt teoreettisena idean mustista aukoista : "Exposition du système du Monde" sisälsi varhaisissa versioissa mietintöjä kappaleesta joka on niin painava, että valo ei pääse pakoon sen pinnalta.
Idean takana oli pakonopeuden tutkiminen ajatuskokeenomaisesti. Nimittäin huomattiin, että jos tykillä ammutaan kovaa, saadaan lähtönopeus suureksi. Kun maan vetovoima vetää kappaletta kohti itseään, syntyy pitkä rata. Jollain nopeudella maan vetovoima vetää kappaleen maahan hyvin lähellä ampumapaikkaa, koska rata yltää miltei maailman ympäri.

Jossain vaiheessa nopeus on juuri sellainen että kappale jää kiertoradalle, kuten tehdään vaikkapa satelliittien kanssa. Tai kuun. Tätä kautta tulee kenties arkiajattelunkin kautta ymmärrettäväksi Newtonin erikoinen oivallus jossa omenan putoaminen maata kohti johtuu täsmälleen samasta asiasta, kuin se joka pitää kuun kiertoradalla. Nopeutensa vuoksi kuu putoaa koko ajan maata kohti törmäämättä siihen ikinä: Se on kiertoradalla.

Tätä kovempi vauhti vapauttaa kappaleen kiertoradalta, ja kappale pääsee pakoon painovoimakentästä. Laplace mietiskeli sitä, että jos kappaleen massa kasvaa, vaaditaan kova pakonopeus. Jossain vaiheessa kappale yksinkertaisesti painaa niin paljon, että valon nopeuden tarjoama pakonopeus ei riitä painovoimasta pois pääsemiseen, jolloin kappaleen pinnalta lähtenyt valo palaa takaisin. (Mitä yritän selventää vieressä olevalla karkeasti raapustetulla kuvalla, jossa samasta paikasta ammutaan eri nopeudella kiitävä kappale, joka voi olla vaikkapa tykinkuula.)

Toki idea oli teoreettinen varsin pitkään. Einsteinin tärkeät kokeet auringonpimennyksen kohdalla todistivat että valo taipuu massan vaikutuksesta. Tämä oli tärkeää, koska periaatteessa voisi olla niinkin että valo ei toimisi samaan tapaan kuin tykinkuulat. Mustilla aukoilla toiminnan kannalta olennaista on se, että valolla on nopeus ja pakonopeus. Mustilla aukoilla mukaan tulee tapahtumahorisontti : Sen takaa ei saada tietoa kohteesta, koska valo ei pääse pakoon. Onkin luonnollista että rajapinnan kohdalla pakonopeus on sama kuin valon nopeus
1: On tärkeää huomata, että tämä on eri asia kuin mustan aukon pinta, koska mustan aukon massa on keskittynyt singulariteettiin. Tämä on tapahtumahorisontin sisällä, sitä pienempi. Tapahtumahorisontin rajan määrää kappaleen massasta johtuva painovoima, joka pienenee kauempana massasta. Nuppineulanpään kokoinen singulariteetti voi aikaansaada paljon itseään suuremman tapahtumahorisontin.

Toki yleinen suhteellisuusteoria tuo mukanaan erikoisuuksiakin. Tässä tärkeässä roolissa on aikadilataatio. Kun kappale nopeutuu, sen aika hidastuu. Aika muuttuu tätä kautta tarkastelijapainotteiseksi. Ei ole mitään universaalia aikaa, joka tikuttaa kaikkialla samalla tavalla. Näin esimerkiksi kaksi hypertarkkaa kelloa joita lennätetään eri korkeuksilla ja eri nopeuksilla näyttävät laskeutuessaan hieman eri aikaa. Tätä on itse asiassa kokeellisesti testattukin, ja esimerkiksi satelliittipaikannuksessa ajan muuttumiset on otettava huomioon jotta systeemit toimisivat.

Sama tapahtuu suurten massojen lähellä. Mustissa aukoissakin on tämän vuoksi ajan hidastumista samaan tapaan kuin mitä maan pinnallakin. Siksi mustaan aukkoon ajautuminen näyttää olennaisesti erilaiselta, katsotaanko tilannetta normaalista avaruudesta sivummalta, vai ollaanko kohde joka kulkee mustaan aukkoon. Turvassa asiaa seuraava näkee miten mustaan aukkoon vajoava kappale näyttää kulkevan yhä hitaammin kohti mustaa aukkoa. Kappale muuttuu myös punasävyisemmäksi punasiirtymän vuoksi. Se muuttuu myös himmeämmäksi. Mustaan aukkoon vajoava taas näkee itsensä venyvänä, ja kaukana oleva ulkopuolinen maailma näyttää kulkevan "nopeutuvalla pikakelauksella". Toisen hidastuminen on toisen nopeutumista.
1: Vähän kuin roolipelien loitsu haste, jossa hahmon nopeuttaminen antaa ulkopuolisten kannalta enemmän toimintoja, hasten itsensä saanut taas kokee vanhenevansa, hän ei koe nopeutuvansa vaan hidastavansa ulkopuolista maailmaa.

---

Otsikko viittaa tietysti Douglas Adamsin "Linnunradan käsikirja liftareille" -"trilogiassa" (maailman ainoassa viisiosaisessa sellaisessa) esittämään ohjeeseen lentämisestä. Kyseessä on siis simppeli tiedevitsi.