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.

Erikoinen suhteellisuusteoria tuli ensimmäisenä esiin, ja se perustuu 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 avaruusaluksessa 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 havainnoijille. 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 avaruusaluksen kyydissä olleille.

Mahdollisesti vieläkin oudompaa on se, että aika kuluu 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 vääristi ajan ja avaruuden muotoa.

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

Tämä ei sinänsä ollut kovin vallankumouksellista, mutta kun Einstein selvitti monimutkaisen matematiikan (se vei häneltä 10 vuotta), hän huomasi, että avaruus ja aika kaartuvat 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, massiivinen kappale venyttää sitä ympäröivää kankaata niin, että kaikki lähellä kulkeva ei enää noudata suoraa linjaa.

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

• valon taipuminen massiivisten kappaleiden ympärillä (gravitaatiolinssi)
• Merkurius-planeetan radan hidas kehitys (perihelin prekessio)
• avaruusajan kehyksen vetäytyminen pyörivien kappaleiden ympärillä
• painovoiman vetovoiman vaikutuksen alta pakenevan valon heikentyminen (gravitaatiopunasiirtymä)
• gravitaatioaallot (avaruuden värähtelyt-
• 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 myötä.