Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria voidaan tiivistää vain 12 sanaan: ”Avaruusaika kertoo aineelle, miten liikkua; aine kertoo avaruusajalle, miten kaartua.”

Mutta tämä fyysikko John Wheelerin lyhyt kuvaus kätkee sisäänsä monimutkaisemman ja syvällisemmän totuuden. Kvanttiteorian ohella yleinen suhteellisuusteoria on toinen modernin fysiikan kahdesta tukipilarista – toimiva teoriamme painovoimasta ja hyvin suuresta, planeetoista, galakseista ja koko maailmankaikkeudesta. Se on Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian laajennus – mutta niin massiivinen, että häneltä kesti 10 vuotta, vuodesta 1905 vuoteen 1915, päästä toisesta toiseen.

Erityinen suhteellisuusteoria kertoo meille, että liike vääristää tilaa ja aikaa. Einsteinin keskeinen temppu yleisen suhteellisuusteorian kanssa oli yhdistää tämä Galileon yli kolme vuosisataa aiemmin toteamaan periaatteeseen, jonka mukaan putoavat kappaleet kiihtyvät samalla nopeudella niiden massasta riippumatta. Tunnetusti Pisan vinosta tornista pudotettu höyhen ja vasara putoavat maahan samaan aikaan, kun ilmanvastus jätetään huomiotta. (Apollo 15:n laskeutuessa kuuhun vuonna 1971 astronautti David Scott vahvisti tämän periaatteen ilmattomassa kuussa.)

Galileon jälkeen Isaac Newton osoitti, että tämä voi pitää paikkansa vain, jos on olemassa outo yhteensattuma: inertiamassan, joka mittaa kappaleen kiihtyvyysvastusta, on aina oltava yhtä suuri kuin gravitaatiomassan, joka mittaa kappaleen vastetta painovoimaan. Ei ole mitään ilmeistä syytä, miksi näin pitäisi olla, mutta yksikään koe ei ole koskaan erottanut näitä kahta määrää toisistaan.

Aivan kuten hän oli käyttänyt valon vakionopeutta rakentaessaan erityistä suhteellisuusteoriaa, Einstein julisti tämän luonnonperiaatteeksi: ekvivalenssiperiaatteeksi. Tällä ja uudella käsityksellä avaruudesta ja ajasta toisiinsa kietoutuneena ”aika-avaruutena” varustautuneena voi rakentaa kuvan, jossa painovoima on vain eräs kiihtyvyyden muoto. Massiiviset kappaleet taivuttavat aika-avaruutta ympärillään, jolloin asiat näyttävät kiihtyvän niitä kohti.

Tämä selittää, miksi tunnemme alaspäin suuntautuvan vetovoiman Maata kohti ja miksi Maa kiertää Aurinkoa. Vaikka painovoima on hallitseva suurissa kosmisissa mittakaavoissa ja lähellä hyvin suuria massoja, kuten planeettoja tai tähtiä, se on itse asiassa ylivoimaisesti heikoin neljästä tunnetusta luonnonvoimasta – ja ainoa, jota kvanttiteoria ei selitä.

Kvanttiteoria ja yleinen suhteellisuusteoria eivät itse asiassa tule lainkaan toimeen keskenään. Nämä kaksi teoriaa toimivat yleensä hyvin eri mittakaavoissa, joten se ei ole suuri ongelma. Mutta se estää meitä ymmärtämästä, mitä tapahtui esimerkiksi aivan alkuräjähdyksen alkuhetkillä, kun maailmankaikkeus oli hyvin pieni ja painovoima oli hyvin voimakas. Ja toisessa tilanteessa, jossa nämä kaksi törmäävät toisiinsa – mustan aukon tapahtumahorisontissa – syntyy ratkaisemattomia paradokseja.

Suuri toivo on, että jokin ”kaiken teoria” voisi jonain päivänä yhdistää kvanttiteorian ja yleisen suhteellisuusteorian – vaikka yritykset, kuten säieteoria ja silmukkakvanttipainovoima, ovatkin toistaiseksi epäonnistuneet.

Vaikka yleistä suhteellisuusteoriaa ei ole koskaan todettu puutteelliseksi. Sen ennustus siitä, että hyvin tiheät massakeskittymät voisivat vääristää aika-avaruutta niin paljon, ettei edes valo voisi paeta siitä, on osoittautunut todeksi. Kutsumme näitä kohteita nykyään ”mustiksi aukoiksi”, voimme valokuvata niitä ympäröiviä ”tapahtumahorisontteja” ja olemme melko varmoja, että sellainen löytyy jokaisen massiivisen galaksin keskeltä.

Mutta ehkäpä yleisen suhteellisuusteorian suurin riemuvoitto tuli vuonna 2015, jolloin löydettiin gravitaatioaallot – hyvin massiivisten kohteiden liikkeen aiheuttamat aaltoilut avaruusajassa. Kahden mustan aukon kierteestä ja sulautumisesta saatu signaali oli Advanced LIGO -kokeen huolellisen ja kärsivällisen salapoliisityön riemuvoitto. Richard Webb