Albert Einsteinin suhteellisuusteoria aloittelijoille
Albert Einstein suhteellisuusteoria julkaistiin yli sata vuotta sitten. Useimmat tietävät Albert Einsteinin, mutta monilta menee sormi suuhun, kun heidän pitäisi selittää, mistä suhteellisuusteoriassa on kyse. Lue aloittelijoille sopiva selitys suhteellisuusteoriasta.
Mikä on Einsteinin suhteellisuusteoria?
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.
Ihmeiden vuosi – Annus mirabilis 1905
Ennen kuin Einstein päätyi teoriaansa, hänen piti päästä eroon joistakin tieteen maailmassa yleisesti hyväksytyistä olettamuksista.
Työ alkoi 1900-luvun alussa ja huipentui vuonna 1905, jota sittemmin on kutsuttu Einsteinin ihmevuodeksi.
Mikä on suppea suhteellisuusteoria?
Albert Einsteinin kuuluisa kaavan (E = mc2) mukaan energia (E) on yhtä kuin massa (m) kertaa valon nopeuden neliö (c).
Lyhyesti selitettynä yhtälö tarkoittaa sitä, että energia (E) ja massa (m) voivat vaihtaa paikkaa. Energia säilyy aineena, ja energia voidaan myöhemmin muuttaa aineeksi.
- marraskuuta 1905 julkaistiin Albert Einsteinin tutkimus, jossa esiteltiin kuuluisa yhtälö E = mc2.
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.
Tai pikemminkin valon nopeuden (c).
Einstein antoi asialle 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 Albert 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
Albert Einsteinkin oli sitä mieltä, että valon nopeuden pitää olla vakio. Hän otti lähtökohdakseen skottilaisen fyysikon James Clerk 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.
Albert 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
Albert Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan valolla on aina tietty nopeus. Siksi valo vaikuttaa myös käsitykseen ajasta. Aika taas on suhteellista, Einsteinin teorian mukaan aika kulkee hitaammin liikkuvalla kappaleella ja hidastuminen voimistuu sitä mukaa kuin nopeus suurenee.
Tutkitaan tarkemmin tätä aikadilataatiota eli aikavääntymää.
Tässä kuvataan yleisen suhteellisuusteorian aikadilataatiota. Ulkopuolella olevalle astronautille lasersäde matkaa pidemmän matkan, kun avaruusalus on liikkeessä.
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.
Video: Suhteellisen ajan selitys
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 videopätkässä, joka käsittelee suhteellisuutta ja kaksosparadoksia:
Video: Suhteellisuus ja kaksosparadoksi
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.
Suhteellisuusteorian mukaan raskaat kappaleet voivat kaareuttaa avaruutta kuin trampoliinilla oleva kuula. Jos kuulan läheisyyteen asetetaan golfpallo, se vierii raskaan kuulan viereen.
Mihin suhteellisuusteoriaa käytetään?
Einsteinin ajatukset mullistivat fysiikan, mutta mihin suhteellisuusteoriaa oikeastaan käytetään? Eikö Newtonin painovoimalaki olisi riittänyt?
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.
Avaruudessa, missä etäisyydet ovat suuria ja taivaankappaleet ovat raskaita ja ne liikkuvat kovaa vauhtia suhteessa toisiinsa, tilanne on aivan toinen. Siksi Einsteinin suhteellisuusteoria on tärkeä.
Einsteinin yleisellä suhteellisuusteorialla on ollut valtava merkitys käsityksellemme avaruudesta ja maailmankaikkeudesta. Esimerkiksi alkuräjähdysteoria ei olisi koskaan syntynyt ilman suhteellisuusteoriaa.
Ilman suhteellisuusteoriaa GPS:ää ei voisi käyttää
Suhteellisuusteorialla on merkitystä myös arkipäivän ilmiöille.
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
Albert 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.
Nyt yli sata vuotta sen jälkeen, kun Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa, se muodostaa (yhdessä kvanttifysiikan) kanssa tällä hetkellä parhaimman selityksen fysiikan keskeisimmistä periaatteista.