Mitä on suhteellisuusteoria?

Mitä on suhteellisuusteoria?

Albert Einstein oli kuuluisa monista asioista, mutta hänen suurin aivoituksensa on suhteellisuusteoria. Se muutti ikuisesti käsityksemme avaruudesta ja ajasta.

Mitä on suhteellisuusteoria? Lyhyesti sanottuna se on käsitys siitä, että fysiikan lait ovat samat kaikkialla. Me täällä maapallolla noudatamme samoja valon ja painovoiman lakeja kuin joku jossain kaukaisessa maailmankaikkeuden kolkassa.

Fysiikan universaalisuus tarkoittaa, että historia on maakunnallista. Eri katsojat näkevät tapahtumien ajoituksen ja välit eri tavalla. Se, mikä meille on miljoona vuotta, voi olla vain silmänräpäys jollekulle, joka lentää suurnopeusraketilla tai putoaa mustaan aukkoon.

Kaikki on suhteellista.

Erityinen suhteellisuusteoria

Einsteinin teoria jakaantuu erityiseen suhteellisuusteoriaan ja yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Erinsteinin teoria jaetaan erityiseen suhteellisuusteoriaan ja yleiseen suhteellisuusteoriaan.

erityinen suhteellisuusteoria tuli ensimmäisenä, ja se pohjautuu siihen, että valon nopeus on vakio kaikille. Tämä saattaa vaikuttaa yksinkertaiselta, mutta sillä on kauaskantoisia seurauksia.

Einstein päätyi tähän johtopäätökseen vuonna 1905 sen jälkeen, kun kokeelliset todisteet osoittivat, että valon nopeus ei muuttunut, kun maapallo kiersi aurinkoa.

Tulos yllätti fyysikot, koska useimpien muiden asioiden nopeus riippuu siitä, mihin suuntaan havaitsija liikkuu. Jos ajat autollasi junaradan vieressä, sinua vastaan tuleva juna näyttää liikkuvan paljon nopeammin kuin jos kääntyisit ympäri ja seuraisit sitä samaan suuntaan.

Einstein sanoi, että kaikki havainnoitsijat mittaavat valon nopeudeksi 186 000 mailia sekunnissa riippumatta siitä, kuinka nopeasti ja mihin suuntaan he liikkuvat.

Tämä maksiimi sai koomikko Stephen Wrightin kysymään: ”Jos olet avaruusaluksessa, joka matkustaa valon nopeudella, ja laitat ajovalot päälle, tapahtuuko mitään?”

Vastaus on, että ajovalot syttyvät normaalisti, mutta vain avaruusaluksen sisällä olevan henkilön näkökulmasta. Jollekin, joka seisoo ulkona katsomassa aluksen ohilentoa, ajovalot eivät näytä syttyvän: valoa tulee ulos, mutta se kulkee samalla nopeudella kuin avaruusalus.

Nämä ristiriitaiset versiot johtuvat siitä, että viivottimet ja kellot – asiat, jotka merkitsevät aikaa ja avaruutta – eivät ole samoja eri havaitsijoille. Jos valon nopeus pidetään vakiona, kuten Einstein sanoi, aika ja avaruus eivät voi olla absoluuttisia, vaan niiden on oltava subjektiivisia.

Vaikkapa 99,99 % valon nopeudella kulkeva 100 jalan pituinen avaruusalus näyttää paikallaan seisovalle tarkkailijalle yhden jalan pituiselta, mutta se pysyy normaalin pituisena avaruusaluksessa oleville.

Mahdollisesti vieläkin oudompaa on se, että aika kuluu sitä hitaammin, mitä nopeammin mennään. Jos kaksonen matkustaa kiitävässä avaruusaluksessa johonkin kaukaiseen tähteen ja palaa sitten takaisin, hän on nuorempi kuin Maahan jäänyt sisarensa.

Massakin riippuu nopeudesta. Mitä nopeammin kappale liikkuu, sitä massiivisemmaksi se muuttuu. Itse asiassa mikään avaruusalus ei voi koskaan saavuttaa 100 % valonnopeutta, koska sen massa kasvaisi äärettömään.

Tämä massan ja nopeuden välinen suhde ilmaistaan usein massan ja energian välisenä suhteena: E=mc^2, missä E on energia, m on massa ja c on valonnopeus.

Yleinen suhteellisuusteoria

Einstein ei ollut lopettanut ajan ja avaruuden käsityksemme mullistamista. Hän jatkoi teoriansa yleistämistä ottamalla mukaan kiihtyvyyden ja huomasi, että tämä vääristää ajan ja avaruuden muotoa.

Pidetään kiinni yllä olevasta esimerkistä: Kuvitellaan, että avaruusalus kiihdyttää nopeuttaan laukaisemalla työntömoottorit. Aluksessa olevat pysyvät kiinni maassa aivan kuin he olisivat Maassa. Einstein väitti, että voima, jota kutsumme painovoimaksi, on erottamaton kiihtyvässä aluksessa olemisesta.

Tämä ei sinänsä ollut kovin vallankumouksellista, mutta kun Einstein selvitti monimutkaisen matematiikan (siihen meni 10 vuotta), hän huomasi, että avaruus ja aika ovat kaarevia massiivisen kappaleen lähellä, ja tämä kaarevuus on se, minkä koemme gravitaatiovoimana.

Yleisen suhteellisuusteorian kaarevaa geometriaa on vaikea kuvitella, mutta jos ajatellaan aika-avaruutta eräänlaisena kankaana, niin massiivinen kappale venyttää ympäröivää kankaata niin, että kaikki lähistöllä ohi kulkevat kappaleet eivät enää kulje suoraa viivaa.

Yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt ennustavat useita ilmiöitä, joista monet on vahvistettu:

• valon taipuminen massiivisten kappaleiden ympärillä (gravitaatiolinssi)
• planeetta Merkuriuksen radan hidas kehittyminen (perihelin prekessio)
• avaruusajan kehyksen vetäytyminen pyörivien kappaleiden ympärillä
• painovoiman vetovoimaa pakenevan valon heikentyminen (gravitaation aiheuttama punasiirtymä)
• gravitaation aiheuttamat aaltoliikkeet (avaruuden värähtely-
• mustien aukkojen olemassaolo, jotka vangitsevat kaiken, myös valon

Aika-avaruuden vääntyminen mustan aukon ympärillä on voimakkaampaa kuin missään muualla. Jos avaruudessa liikkuva kaksonen putoaisi mustaan aukkoon, hän venyisi kuin spagetti.

Hänen onnekseen kaikki olisi ohi muutamassa sekunnissa. Mutta hänen sisarensa Maassa ei koskaan näkisi sen päättyvän – katsellessaan, kuinka hänen siskoparka raahautuu vähitellen kohti mustaa aukkoa maailmankaikkeuden iän kuluessa.

Lisälähteet:

• Katso tämä video, jossa selitetään, mistä suhteellisuusteoriassa on kyse, Fermilabista.
• Lue lisää Einsteinin yleisestä suhteellisuusteoriasta, Space.comista.
• Lue lisää Albert Einsteinin elämästä ja tieteellisistä keksinnöistä, The Nobel Foundationista.

Tämän artikkelin päivitti 2. heinäkuuta 2019 Live Science Contributor Tim Childers.