Kun suhteellisuusteoria ilmestyi 1900-luvun alussa, se mullisti vuosisatojen tieteen ja antoi fyysikoille uudenlaisen käsityksen avaruudesta ja ajasta. Isaac Newton näki avaruuden ja ajan kiinteinä, mutta erityisen suhteellisuusteorian ja yleisen suhteellisuusteorian tarjoamassa uudessa kuvassa ne olivat juoksevia ja muokattavia.

Kuka keksi suhteellisuusteorian?

Albert Einstein. Hän julkaisi teoriansa ensimmäisen osan – erityisen suhteellisuusteorian – saksalaisessa fysiikan aikakauslehdessä Annalen der Physik vuonna 1905 ja sai yleisen suhteellisuusteoriansa valmiiksi vasta toisen vuosikymmenen vaikean työn jälkeen. Jälkimmäisen teorian hän esitteli luentosarjassa Berliinissä loppuvuodesta 1915 ja julkaisi sen Annalenissa vuonna 1916.

Mitä on erityinen suhteellisuusteoria?

Teoria perustuu kahteen keskeiseen käsitteeseen.

• Ensiksikin, luontomaailmassa ei ole sallittua ”etuoikeutettuja” viitekehyksiä. Niin kauan kuin kohde liikkuu suorassa linjassa vakionopeudella (eli ilman kiihtyvyyttä), fysiikan lait ovat kaikille samat. Se on vähän sama kuin katsoessasi ulos junan ikkunasta ja nähdessäsi viereisen junan näyttävän liikkuvan – mutta liikkuuko se vai sinä? Sitä voi olla vaikea sanoa. Einstein tunnusti, että jos liike on täysin tasaista, sitä on kirjaimellisesti mahdotonta erottaa – ja määritteli tämän fysiikan keskeiseksi periaatteeksi.
• Sekunnissa valo kulkee muuttumattomalla nopeudella 186 000 mailia sekunnissa. Riippumatta siitä, kuinka nopeasti havaitsija liikkuu tai kuinka nopeasti valoa lähettävä kohde liikkuu, valon nopeuden mittaaminen antaa aina saman tuloksen.

Tästä kahdesta postulaatista lähtien Einstein osoitti, että avaruus ja aika kietoutuvat toisiinsa tavoilla, joita tiedemiehet eivät olleet koskaan aiemmin ymmärtäneet. Ajatuskokeiden avulla Einstein osoitti, että erityisen suhteellisuusteorian seuraukset ovat usein intuition vastaisia – jopa hätkähdyttäviä.

Jos esimerkiksi huristelet raketilla ja ohitat ystäväsi samanlaisella mutta hitaammin liikkuvalla raketilla, huomaat, että ystäväsi kello tikittää hitaammin kuin sinun (fyysikot kutsuvat tätä ”aikadilaatioksi”).

Myös ystäväsi raketti näyttää lyhyemmältä kuin sinun omasi. Jos rakettisi nopeutuu, sinun ja raketin massa kasvaa. Mitä nopeammin kiihdytät, sitä painavammaksi asiat muuttuvat ja sitä enemmän rakettisi vastustaa ponnistelujasi saada se kulkemaan nopeammin. Einstein osoitti, että mikään, millä on massaa, ei voi koskaan saavuttaa valonnopeutta.

Toinen seuraus erityisestä suhteellisuusteoriasta on, että aine ja energia ovat vaihdettavissa kuuluisan yhtälön E = mc² avulla (jossa E tarkoittaa energiaa, m massaa ja c² valonnopeutta kerrottuna itsellään). Koska valonnopeus on niin suuri luku, pienikin määrä massaa vastaa hyvin suurta määrää energiaa, ja se voidaan muuntaa hyvin suureksi energiaksi. Siksi atomi- ja vetypommit ovat niin voimakkaita.

Mitä on yleinen suhteellisuusteoria?

Välttämättä se on painovoimateoria. Perusajatuksena on, että sen sijaan, että painovoima olisi näkymätön voima, joka vetää esineitä toisiinsa, painovoima on avaruuden kaartumista tai vääntymistä. Mitä massiivisempi kappale on, sitä enemmän se vääntää ympäröivää avaruutta.

Esimerkiksi aurinko on tarpeeksi massiivinen vääntääkseen avaruutta koko aurinkokunnassamme – vähän samaan tapaan kuin kumilevyn päällä lepäävä raskas pallo vääntää levyä. Tämän seurauksena Maa ja muut planeetat liikkuvat sen ympärillä kaarevia ratoja (kiertoratoja).

Tämä vääntyminen vaikuttaa myös ajan mittaamiseen. Meillä on tapana ajatella, että aika tikittää tasaista tahtia. Mutta aivan kuten painovoima voi venyttää tai vääntää avaruutta, se voi myös venyttää aikaa. Jos ystäväsi kiipeää vuoren huipulle, näet hänen kellonsa tikittävän nopeammin verrattuna sinun kelloosi; toisen ystäväsi, joka on laakson pohjalla, kello tikittää hitaammin, koska painovoiman voimakkuus on erilainen kussakin paikassa. Myöhemmät kokeet osoittivat, että näin todellakin tapahtuu.

Miltä suhteellisuusteoria näyttää ”konepellin alla?”

Erityinen suhteellisuusteoria on viime kädessä joukko yhtälöitä, jotka suhteuttavat sen, miltä asiat näyttävät yhdessä viitekehyksessä, siihen, miltä ne näyttävät toisessa viitekehyksessä – ajan ja avaruuden venyminen ja massan lisääntyminen. Yhtälöihin ei liity mitään lukion matematiikkaa monimutkaisempaa.

Yleinen suhteellisuusteoria on monimutkaisempi. Sen ”kenttäyhtälöt” kuvaavat massan ja avaruuden kaarevuuden sekä ajan laajenemisen välistä suhdetta, ja niitä opetetaan tyypillisesti korkeakoulujen fysiikan jatkokursseilla.

Kokeet erityisestä ja yleisestä suhteellisuusteoriasta

Viime vuosisadan aikana monet kokeet ovat vahvistaneet sekä erityisen että yleisen suhteellisuusteorian pätevyyden. Ensimmäisessä tärkeässä yleisen suhteellisuusteorian testissä tähtitieteilijät mittasivat vuonna 1919 kaukaisista tähdistä tulevan valon taipumisen, kun tähtien valo kulki aurinkomme ohi, mikä osoitti, että painovoima todellakin vääristää tai kaartaa avaruutta.

Vuonna 1971 tiedemiehet testasivat Einsteinin teorian kumpaakin osaa sijoittamalla täsmällisesti synkronoituja atomikelloja matkustajakoneisiin ja lennättämällä niitä maailman ympäri. Lentokoneiden laskeutumisen jälkeen suoritettu kellojen tarkistus osoitti, että matkustajakoneissa olevat kellot kävivät hiukan hitaammin (alle sekunnin miljoonasosan) kuin maassa olevat kellot.

Ero johtui lentokoneiden nopeudesta (erityinen suhteellisuusteoreettinen vaikutus) ja niiden suuremmasta etäisyydestä Maan gravitaatiokentän keskipisteestä (yleinen suhteellisuusteoreettinen vaikutus).

Gravitaatioaaltojen – hienovaraisten aaltojen avaruusajan kudoksessa – löytyminen vuonna 2016 oli toinen vahvistus yleiselle suhteellisuusteorialle.

Relativiteetti käytännössä

Vaikka suhteellisuusteorian taustalla olevat ajatukset vaikuttavat esoteerisilta, teorialla on ollut valtava vaikutus nykymaailmaan.

Ydinvoimalat ja ydinaseet esimerkiksi olisivat mahdottomia ilman tietoa siitä, että ainetta voidaan muuttaa energiaksi. Ja GPS-satelliittiverkkomme (maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä) on otettava huomioon sekä erityisen että yleisen suhteellisuusteorian hienovaraiset vaikutukset; jos näin ei tehtäisi, ne antaisivat tuloksia, jotka poikkeaisivat useita kilometrejä toisistaan.

SEURAA NBC NEWS MACH:ia TWITTERISSÄ, FACEBOOKISSA JA INSTAGRAMISSA.