Albert Einstein 1921

Einsteinin suhteellisuusteoria mullisti fysiikan

Einsteinin suhteellisuusteoria täyttää 100 vuotta. Useimmat tietävät Albert Einsteinin, mutta monilta menee sormi suuhun, kun heidän pitäisi selittää, mistä suhteellisuusteoriassa on kyse. Lue aloittelijoille sopiva selitys suhteellisuusteoriasta.

keskiviikko 27. toukokuuta 2015 teksti Berit Viuf

Einsteinin suhteellisuusteoria selittää fysiikan paradokseja

Einsteinin suhteellisuusteoria koostuu kahdesta osasta: erityisestä suhteellisuusteoriasta vuodelta 1905 ja yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka julkaistiin vuonna 1915.

1800-luvun puolivälissä havaittiin luonnonilmiöitä, jotka olivat ristiriidassa Newtonin painovoimalain kanssa. Monet muutkin tutkijat pohtivat samaa asiaa, mutta Einstein onnistui aivan uudenlaisilla ajatuksillaan selittämään nämä ristiriidat.

Einsteinin suhteellisuusteoria onnistui antamaan selityksen ilmiöille, jotka eivät sopineet klassisen fysiikan maailmaan. Suhteellisuusteoria yhdisti kolme fysiikan teoriakokonaisuutta: painovoiman, sähködynamiikan ja termodynamiikan.

Erityinen suhteellisuusteoria

Ennen kuin Einstein päätyi teoriaansa, hänen piti päästä eroon joistakin tieteen maailmassa yleisesti hyväksytyistä olettamuksista.

Vuonna 1905 Albert Einstein julkaisi kuuluisan yhtälönsä massan ja energian suhteesta.

Einsteinin 1900-luvun alussa alkaneen työn tulokset julkistettiin vuonna 1905 Annalen der Physik -aikakauskirjassa. Siinä esiteltiin suhteellisuusteorian pääkohdat, muun muassa kuuluisa yhtälö E=mc2.

Lyhyesti selitettynä yhtälö tarkoittaa sitä, että energia (E) ja massa (m) voivat vaihtaa paikkaa. Energia säilyy aineena, ja energia voidaan myöhemmin muuttaa aineeksi.

Ennen Einsteinin erityistä suhteellisuusteoriaa tiedettiin, että ”ilma” voi muuttua massaksi ja päinvastoin. Tämä ilmenee, kun metalli ruostuu ja ruostumisprosessin jälkeen se painaa enemmän kuin ennen. Tiedettiin myös, että lämpö ja tuli ovat energiaa, mutta yhteyttä ei osattu selittää.

Tiedemaailmassa oli kuitenkin jo törmätty outoihin ilmiöihin. Esimerkiksi Marie ja Pierre Curie olivat tehneet kokeita, joissa he osoittivat, että tietyt aineet lähettivät hiukkasia useiden kuukausien ajan. Tuolloin ei kuitenkaan vielä tiedetty, miten se oli mahdollista.

Einstein antoi aivan uuden selityksen: valon. Tai pikemminkin valon nopeuden (c).

Valon nopeus hämmensi tutkijoita

Sitä, miten valon nopeus vaikuttaa massan ja/tai energian muodostumiseen, on hieman vaikea ymmärtää. Käsitellään siksi ensin valon ominaisuuksia.

Ennen kuin Einstein julkisti artikkelinsa, tiedemaailmassa oletettiin, että valo ja ääni liikkuvat aina nopeudella, jota voidaan kiihdyttää tai jarruttaa sen mukaan, missä tarkkailija sijaitsee.

Oletettiin siis, että jos auto kulkee 50 kilometrin tuntinopeudella valot päällä, niin valo liikkuu 50 km/h nopeammin kuin silloin, jos valo olisi peräisin paikallaan pysyvästä lähteestä.

1800-luvun lopulla fyysikot Albert Michelson ja Edward Morley tekivät kuitenkin kokeita, joissa he osoittivat, että valo kulkee aina samalla nopeudella.

Valon nopeus ylittää kaiken

Einsteinkin oli sitä mieltä, että valon nopeuden pitää olla vakio. Hän otti lähtökohdakseen sähkömagnetismin isän Maxwellin teorian valosta. Maxwell uskoi, että kun valonsäde liikkuu, syntyy hieman sähköä, joka eteenpäin suuntautuvalla liikkeellään luo magneettisen kentän, joka seuraa liikettä ja muodostaa sähköä. Kyse on siis eräänlaisesta pukkihyppelystä.

Maxwell ei kuitenkaan oikein pystynyt selvittämään, miten valo voisi liikkua nopeammin tai hitaammin.

Einstein esitteli aivan uuden ajatuksen: hänen mukaansa valo liikkuu aina samalla nopeudella riippumatta siitä, onko se peräisin paikoillaan pysyvästä vai liikkuvasta lähteestä.

Einstein esitti myös, että koska magnetismi aina työntää sähköä eteenpäin, valo on nopeampaa kuin mikään muu. Valoaallot liikkuvat siis maailmankaikkeuden äärimmäisellä nopeudella.

Massa on jähmettynyttä energiaa

Miten sitten valon nopeus liittyy massaan ja energiaan? Kuvitellaan avaruusalus, jonka nopeus lähestyy valon nopeutta. Lentäjä lisää koko ajan energiaa moottoreihin, mutta millään energiamäärällä ei saavuteta nopeutta, joka olisi suurempi kuin valon nopeus. Toisaalta energia ei myöskään häviä mihinkään, vaan se puristuu massaksi. Avaruusaluksen paino siis vain kasvaa: E, energia, muuttuu massaksi, m.

Aurinko puolestaan on saman asian käänteinen esimerkki: joka sekunti Auringosta katoaa tonneittain vetyä (massaa), joka muuttuu energiaksi.

Kaikki aine maapallolla on siis "jähmettynyttä" energiaa. Ja jos energia voidaan vapauttaa, niin koko Suomen energiantuotanto voitaisiin tyydyttää yhdellä paperinpalalla.

Energian vapauttaminen ei kuitenkaan ole helppoa. Nyt käytössä olevista polttoaineista, kuten bensiinistä, vapautuu vain murto-osa siitä energiasta, joka siihen on sitoutunut.

Aika on suhteellista

Valon vakionopeus vaikuttaa myös aikakäsitykseen. Kun kaksi avaruusalusta lähettää valoa kohti Maata, valo liikkuu yhtä nopeasti kummastakin aluksesta.

Jos kuitenkin toinen avaruusalus on paikoillaan ja toinen liikkuu samaan suuntaan kuin valo, valo ehtii Maahan eri ajassa. Jos olemme siinä aluksessa, joka on paikoillaan, aika kuluu nopeammin kuin siinä aluksessa, joka liikkuu.

Tätä on vaikeaa ymmärtää, sillä ihminen ei ole tottunut liikkumaan nopeuksilla, jotka sivuavat valon nopeutta. Nopeudet, joilla liikumme Maassa, ovat niin pieniä, että emme koe muutoksia ajassa.

Aika on joka tapauksessa suhteellista, kun taas valon nopeus on aina vakio.

Tässä voit katsoa videopätkän, jossa selitetään suhteellisen ajan ilmiötä:

Kaksosparadoksi

Ajan suhteellisuutta kuvataan usein kaksosilla, joista toinen lähtee raketilla matkalle monen valovuoden päähän ja toinen jää Maahan.

Toinen kaksosista matkaa melkein valon nopeudella. Kuten aiemmin jo selvisi, sillä kaksosella, joka matkaa kovalla nopeudella, aika kuluu hitammin kuin sillä, joka on ”paikoillaan” Maassa.

Koska raketissa matkaavan kaksosen aika kuluu hitaammin, hän myös vanhenee hitaammin. Itse asiassa raketissa oleva kaksonen on Maahan palatessaan monta vuotta nuorempi kuin kaksosensa.

Tämän omituisuuden selittää yhdysvaltalainen astrofyysikko Neil deGrasse Tyson alla olevassa videopätkässä, joka käsittelee suhteellisuutta ja kaksosparadoksia:

Seuraava askel: Yleinen suhteellisuusteoria

Erityisen suhteellisuusteorian julkaisemisen jälkeen Einstein yritti kymmenen vuotta saada painovoimaa mukaan teoriaansa. Tuloksena oli irtiotto klassisesta fysiikasta ja painovoiman selityksestä.

Einsteinin mukaan raskaat kappaleet voivat muuttaa avaruutta. Sen sijaan, että painovoima nähdään Newtonin tavoin massasta johtuvana voimana, joka vetää massaa puoleensa, Einstein ehdotti, että avaruus kaareutuu eri painoisten kappaleiden ympärillä.

Ajatusta selventää hyvin mielikuva trampoliinilla olevasta kuulasta.

Kuula aiheuttaa painauman trampoliinin pinnalle. Jos kuulan läheisyyteen asetetaan golfpallo, se vierii raskaan kuulan viereen. Sen sijaan, että massa vetää puoleensa massaa, kappaleet siis vain seuraavat avaruuden kaareutumista.

Esimerkissä golfpallo kiertää suurella nopeudella kuulaa ja lopulta törmää siihen.

Samalla tavalla myös planeetat käyttäytyvät raskaan kappaleen, vaikkapa mustan aukon, ympärillä. Ensin planeetat alkavat kiertää sitä ja lopulta aukko ”nielaisee” ne.

Valo tai aika, joilla ei ole massaa, kaareutuvat kappaleen ympärillä ja jatkavat matkaansa sen toisella puolella – ellei kaareutuminen ole niin suuri, että valo alkaa kiertää sitä niin, että se ei enää pääse sen toiselta puolelta ulos (musta aukko).

Toisin sanoen siis mitä suurempi painovoiman muutos on, sitä voimakkaampaa kaareutuminen on.

Mitä Einsteinin suhteellisuusteoria merkitsee?

Einsteinin ajatukset mullistivat fysiikan. Mutta miksi? Newtonhan selitti painovoiman niin, että kappaleet vetävät toisiaan puoleensa, ja selityshän oli yksinkertainen ja selvä.

Täällä Maassa me kaikki liikumme samalla nopeudella kuin Maa ja Aurinkokunta. Siksi meistä tuntuu, että itse asiassa pysymme paikoillamme. Aikaan liittyvää eroa ei siis huomaa Maassa, missä erot ovat niin pieniä. Se, että toinen pysyy paikoillaan ja toinen ajaa autolla, ei vaikuta ajan kokemiseen.

Koska nopeus ja aika koetaan samalla tavalla kaikkialla maapallolla, Newtonin painovoimateoria riittää hyvin selittämään meitä ympäröivän maailman.

Asia muuttuu, kun tarkastellaan avaruutta, jossa välimatkat ovat suuria ja taivaankappaleet raskaita. Ja lisäksi taivaankappaleet liikkuvat suurella nopeudella toisiinsa nähden.

Ilman suhteellisuusteoriaa GPS:ää ei voisi käyttää

Yleinen suhteellisuusteoria selittää sitä, miten ymmärrämme avaruutta ja maailmankaikkeutta. Esimerkiksi alkuräjähdysteoriaa ei voisi olla olemassa ilman suhteellisuusteoriaa.

Suhteellisuusteorian vaikutus näkyy kuitenkin myös arkipäiväisissä asioissa.

Yksi esimerkki tästä ovat GPS-laitteet, joilla sijainti voidaan määrittää muutaman metrin tarkkuudella. GPS-laitteet saavat tietonsa Maata kiertäviltä satelliiteilta. GPS-laite määrittää tietyn pisteen sen mukaan, missä kohtaa satelliitit kulloinkin sijaitsevat.

GPS-laitteiden toimintaan vaikuttaa kaksi tekijää. Ensinnäkin satelliitit liikkuvat nopeammin kuin se eräänlainen lepotila, jossa koemme Maassa olevamme. Siten siis aika satelliitissa kulkee 7 mikrosekuntia hitaammin kuin Maassa.

Asiaan vaikuttaa myös painovoimakenttä. Satelliitit sijaitsevat 20 000 kilometrin päässä Maasta. Siellä painovoiman vaikutus on vain neljäsosa Maassa vallitsevasta painovoimasta, minkä vuoksi aika kulkee siellä 45 mikrosekuntia nopeammin. Eli korjauslaskutoimituksen jälkeen satelliitissa aika kulkee 38 mikrosekuntia nopeammin kuin Maassa.

Se ei kuulosta kovin suurelta erolta, mutta kun se muutetaan etäisyydeksi, 38 mikrosekunnin ero merkitsee melkein 11 kilometrin epätarkkuutta vuorokaudessa.

Jos siis suhteellisuusteorian väittämiä ei olisi otettu huomioon GPS-laskelmissa, ilman aikakorjausta koko GPS-järjestelmä olisi käyttökelvoton.

Suhteellisuusteoriaa ei ole vielä kokonaan todistettu

Einsteinin työ oli pelkkää teoriaa, eikä hän todistanut ajatuksiaan kokeellisesti. Siitä ovat myöhemmin huolehtineet muut tutkijat. Jo vuonna 1919 tehtiin auringonpimennyksen aikana koe, joka osoitti, että Einstein oli ollut oikeassa: valo taipuu massan vaikutuksesta.

Muita osia Einsteinin teoriasta on onnistuttu todistamaan vasta 2000-luvun vaihteessa. Kokeita on tehty muun muassa Sveitsissä sijaitsevassa Cernin hiukkastutkimuslaitoksessa.

Mitä useamman kokeen tulokset tukevat teorian olettamuksia, sitä enemmän painoarvoa Einsteinin teoria saa. Silti osaa suhteellisuusteoriasta ei vieläkään ole todistettu.

Lisää Einsteinin suhteellisuusteoriasta

Nyt sata vuotta sen jälkeen, kun Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa, se muodostaa (yhdessä kvanttifysiikan kanssa) tällä hetkellä parhaimman selityksen fysiikan keskeisimmistä periaatteista.

Jos haluat tietää lisää siitä, miten Einstein päätyi suhteellisuusteoriaansa, katso videopätkä, jolla yhdysvaltalainen astrofyysikko Neil deGrasse Tyson selvittää asiaa.

Johdatamme sinut tutkijoiden kiehtovaan maailmaan

3 nroa Tieteen Kuvalehteä 9,90. Napsauta tästä.

Lue tästä

Ehkä sinua kiinnostaa...

TILAA TIETEEN KUVALEHDEN UUTISKIRJE

Voit ladata ilmaisen erikoisnumeron, Uskomattomat aivot, heti, kun olet tilannut uutiskirjeen.

Etkö löytänyt, mitä etsit? Tee haku tästä: