Suhteellisuusteoria

Suhteellisuusteoria tarkoittaa kahta erillistä fysiikan teoriaa: erityistä ja yleistä suhteellisuusteoriaa. Näiden yhteinen piirre on niiden perustuminen suhteellisuusperiaatteeseen, joka on yksi koko fysiikan keskeisimmistä periaatteista. Suhteellisuusperiaatteen mukaan luonnonlait ja fysiikan teoriat ovat samat kaikissa tilanteissa eli eri tilanteissa pätevät samat lait.

Simulaatio GW150914 mustan aukon yhdistymisestä, jossa näkyy aika-avaruuden vääristymä painovoiman vaikutuksesta kun mustat aukot lähestyvät toisiaan.

Suhteellisuusteoria tunnetaan siitä, että se edellyttää jossain määrin erityistä ajattelukykyä, koska siihen liittyvien asioiden hahmottaminen on arkiajattelulle vierasta. Siihen liittyen onkin laadittu monia näennäisen ristiriitaisia ajatuskokeita, joita esitellään usein populaarikirjallisuudessa. Yksi tunnetuimmista ajatuskokeista on kaksosparadoksi. Tietyllä tapaa epäintuitiivisen sisältönsä vuoksi suhteellisuusteoria on herättänyt paljon intohimoja tieteen ja filosofian harrastajien keskuudessa.

Historiallisesti ajatellen erityinen suhteellisuusteoria sai alkunsa 1800-luvun loppupuolella, jolloin kuuluisa Michelsonin–Morleyn koe aiheutti päänvaivaa sen ajan tieteelliselle yhteisölle. Koe tehtiin vuonna 1881 ja uudelleen 1887, ja sen perusteella ei voitu havaita kaiken kattavaa eetteriä, jonka suhteen valo liikkuisi vakionopeudella. Einsteinin olettamus, että valonnopeus on havaitsijan liiketilasta riippumaton luonnonvakio, johti siihen, että koordinaatistolle ja ajalle täytyy tehdä muunnos havaitsijan liiketilasta riippuen. Muunnosyhtälöt nimettiin Lorentz-muunnokseksi alankomaalaisen Hendrik Antoon Lorentzin mukaan. Lorentz johti 1890 saman yhtälön sähkökentässä liikkuvalle varaukselle.

Erityinen suhteellisuusteoria

Pääartikkeli: Erityinen suhteellisuusteoria

Erityinen suhteellisuusteoria, joka tunnetaan myös suppeana tai erikoisena suhteellisuusteoriana, on nykyisen fysiikan vallitseva käsitys tilasta, ajasta ja sähkömagnetismista. Albert Einstein julkaisi erityisen suhteellisuusteorian 1905. Se pätee vain inertiaalikoordinaatistoissa eikä kykene käsittelemään kiihtyvää (tai hidastuvaa) liikettä. Erityinen suhteellisuusteoria on yksi tarkimmin verifioiduista fysiikan teorioista. Siihen liittyvät ilmiöt ovat jokapäiväisiä muun muassa hiukkas- ja astrofysiikan tutkimuksessa. Erityisen suhteellisuusteorian matematiikka on helposti omaksuttavissa, ja joitakin sen tuloksia esitellään jo lukion fysiikassa. Se on myös yhteensopiva kvanttimekaniikan kanssa.

Yleinen suhteellisuusteoria

Pääartikkeli: Yleinen suhteellisuusteoria

Yleinen suhteellisuusteoria on erityisen suhteellisuusteorian laajennus, joka selittää myös painovoiman ja pätee muutoinkin kiihtyvässä liikkeessä. Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteorian 1915. Yleistä suhteellisuusteoriaa, toisin kuin erityistä suhteellisuusteoriaa, ei ole voitu osoittaa todeksi, mikä johtuu siitä, ettei kaikkia sen ennustamia ilmiöitä ole saatu kokeellisesti varmistettua. Yleistä suhteellisuusteoriaa ei ole myöskään onnistuttu saattamaan kvanttimekaniikan kanssa yhteensopivaksi.

Yleisen suhteellisuusteorian perustava idea on avaruuden rakenne, minkä vuoksi teoriaan perehtyminen edellyttää tensorilaskennan tuntemista.

Vaikutuksia

Kuvataide

1900-luvun alun avantgarde-taiteen yhteydessä on puhuttu luonnontieteen murroksesta ja sen vaikutuksesta maailmankuvaan. Taiteilijat olivat kiinnostuneita muun muassa ei-eukliidisesta geometriasta, jota suhteellisuuteoria käyttää. On kuitenkin liioiteltua sanoa, että suhteelliuusteorialla olisi ollut suoraa vaikutusta esimerkiksi kubismin tilakäsitykseen.

Kirjallisuutta

Enqvist, Kari: Johdatus suhteellisuusteoriaan. URSA ry, 2011. ISBN 978-952-5329-97-1

Aiheesta muualla

Suhteellisuusteoriaa (Arkistoitu – Internet Archive) suomeksi