|
Albert Einstein. Kuva Wiki Commons. |
Teksti Kari A. Kuure
Tänä vuona tulee kuluneeksi tasan sata vuotta Einstein
yleisen suhteellisuusteorian julkaisemisesta. Yleinen suhteellisuusteoria on
sen verran merkittävä tieteellinen saavutus, jonka julkaisua ja kehittäjää
Albert Einsteinia (1879–1955) on syystäkin juhlia.
Ironista kyllä, vaikka
yleinen suhteellisuusteoria onkin yksi viime vuosisadan merkittävimmistä ja
kausikantoisimmista tieteellisistä julkaisuista, Einsteinia ei milloinkaan
palkittu tästä työstä Nobelilla[1]. Nobelin hän sai vuonna 1921
”ihmevuonna”[2] 1905 julkaistusta pienestä tutkimuksesta, joka
käsitti valosähköisen ilmiön selitystä.
Yleinen suhteellisuusteoria (julkaistiin 25.11.1915[8])
on gravitaatioteoria, jossa Einstein selittää gravitaationa tunnetun ilmiön
alkuperäksi aika-avaruuden kaareutumisen. Teoria korvaa tai paremminkin
täydentää aikaisemman, vuonna 1687 julkaistun Isaac Newtonin
gravitaatioteorian, mutta ei perustu siihen. Newtonin gravitaatioteoria on toimiva arkielämässä, jossa
massat ja nopeudet ovat ”ihmismittakaavaisia” mutta teoriaa ei voi käyttää
silloin, kun kysymys on tähdistä, mustista aukoista ja valon nopeutta
lähestyvistä nopeuksista. Silloin Einsteinin teoria on paljon tarkempi.
Parhaimmin tunnettu esimerkki Einsteinin teorian
tarkkuudesta on Merkuriuksen radan perihelin kiertymisen selitys, johon
Newtonin teoria ei pysty. Newtonin teoria ei myöskään selitä valon kulkureitin
kaareutumista massiivisten kappaleiden läheisyydessä, vaikka Newton tutkikin
valon ominaisuuksia hiukkasteorian keinoin.
|
Analoginen malli aika-avaruuden kaareutumisesta. Kuva Wiki Commmons. |
Yleistä suhteellisuusteorian aika-avaruuden kaareutumista
yleensä havainnollistetaan joustavalla kankaalla, joka edustaa kaikkia kolme
tilaulottuvuutta. Sijoittamalla kankaan keskelle erimassaisia painoja
edustamaan massiivisia tähtiä tai mustia aukkoja, saadaan kangas venymään ja
kaareutumaan. Mallilla myös hyvin usein pyritään havainnollistamaan
planeettojen liikeradat tähtien ympäri tai jopa valon reitin taipumisen
massakeskittymän läheisyydessä.
Vaikka analogia on hyvin puutteellinen ja rajoittunut
ilmentämään aika-avaruutta, meille useamman kuin kolmen ulottuvuuden
hahmottaminen ei luonnistu. Näin ollen analogiamalli on yksi parhaimmista millä
tieteellisiä ilmiöitä on voitu havainnollistaa maallikoille.
Suhteellisuusteorian ilmestymisen aikaan Einstein ajatteli
maailmankaikkeuden olevan staattinen. Hänen kaavansa kuitenkin osoittivat, että
maailmankaikkeuden täytyi joko laajeta tai luhistua, staattinen tila ei ollut
mahdollista. Niinpä hän lisäsi[9] vuonna 1917 kaavoihinsa
kosmologisen vakion, jonka arvon sopivalla valinnalla staattinen tila
mahdollistui.
Seuraavalla vuosikymmenellä (1929) Edwin Hubble (1889–1953) kuitenkin
pystyi osoittamaan maailmankaikkeuden laajenemisen, joten Einstein joutui
muuttamaan käsitystään. Hän kertoi lisäämänsä kosmologisen vakion olleen
elämänsä suurin virhe. Niinpä hän poisti kaavoistaan tämä tekijän[10],
mutta se jouduttiin ottamaan takaisin vuonna 1998 julkaistusta tutkimuksesta
johtuen, jonka mukaan maailmankaikkeus laajeni kiihtyvästi. Ilman kosmologista
vakiota (ja sen edustamaa poistovoimaa) kiihtymistä ei voi tapahtua, vaan
laajeneminen hidastuisi ehkäpä ikuisesti gravitaation vaikutuksesta.
|
Kuva Wiki Commons. |
Yleisen suhteellisuusteorian tultua ainakin osittain
todistetuksi oikeaksi vuonna 1919 tapahtuneen auringonpimennyksen avulla,
Einsteinin elämä muuttui varsin ”pyörteiseksi”. Hän muutti usein vaihtaen
työpaikkojaan yliopistosta toiseen, matkusti maailmalla mm. useita kertoja
Yhdysvaltoihin ja lopulta päätyi muuttamaan pysyvästi New Jerseyn ja
työskenteli Princetonin yliopistossa Euroopan poliittisen ilmapiirin kehityttyä
juutalaisvastaiseksi Adolf Hitlerin noustua valtaan Saksassa 1930-luvulla.
Albert Einsteinin suppeamman suhteellisuusteoriaan
sisältyvät sellaiset käsitteet kuten valonnopeuden vakioisuus tyhjiössä[4],
suhteellisuusperiaate[5], aikadilaatio[6] ja
pituuskontraktio[7].
Yleinen
suhteellisuusteoria on suppeamman suhteellisuusteorian laajennus, jonka
lisäyksiä oli mm. gravitaatio ja kosmologinen vakio. Einsteinin mukaan
gravitaatio oli näennäisvoima (kts. edellä mainittu aika-avaruuden
kaareutuminen), joka johtuu käytetystä koordinaatiosta. Yleisen suhteellisuusteorian
mukaan myös aika on paikallinen ilmiö ja se kuluu tai etenee erinopeuksilla
riippuen havaitsijan liiketilasta ja tai sijaintipaikan gravitaatiokentän
voimakkuudesta (jälleen aika-avaruuden kaareutumisesta).
Einsteinin myöhemmät työt liittyivät EPR-paradoksiin (jonka
Niels Bohr onnistui kumoamaan), mustiin aukkoihin liittyvään Schwarzschildin
”madon reikiin” (virallisemmin Einsteinin- Rosenin siltaan) ja yrittipä hän
kehittää kaiken teorian, jossa yhdistyisivät gravitaatio- ja kvanttiteoriat.
Albert Einsteiniä on luonnehdittu neroksi ja kieltämättä hän
jonkin asteinen nero olikin omalla alallaan. Kaikesta päätelleen hän tunsi
suurta intohimoa työtään kohtaan, joten onnistuminen monissa tutkimuksissaan
oli suora seuraus tästä intohimosta. Vaikka Einstein koki elämässään ja
työssään myös monia epäonnistumisia, niin niitä ei sinällään tarvitse
muistella, epäonnistumisia kun tulee kaikille ja vain onnistumiset lasketaan.
Huomautukset
[1] Suhteellisuusteoria ei ollut ”keksintö” Nobel-säätiön
palkintoehtojen (Alfred Nobelin testamentin) mukaisesti.
[2] Einsteinin
”ihmevuosi” 1905 on merkittävä, sillä silloin hän julkaisi kolme merkittävää
julkaisua jo mainitun valosähköisen ilmiön selityksen lisäksi. Vähintään yhtä
merkittävä tutkimus oli Brownin liikkeen[3] selitys, jolla Einstein
onnistui osoittamaan myös atomien olemassa olon. Vuonna 1910 hän oli ehdokkaana
Nobelin saajaksi juuri Brownin liikkeen selitysmallin keksimisestä.
Kaksi muuta merkittävää ”ihmevuoden” julkaisua oli Suppea
tai erityinen (nimitys vaihtelee) suhteellisuusteoria sekä massan ja energian verrannollisuus, jonka suuri yleisö tuntee kaavasta E=mc2. Tutkimus on kuitenkin
usein liitetty suppeaan suhteellisuusteoriaan, vaikka se oli selkeästi aivan
itsenäinen vaikkakin suppeaa suhteellisuusteoriaa täydentävä teoreettinen
tutkimus.
[3] Brownin liike on mikroskoopissa näkyvä hiukkasten
satunnainen siksak-liike. Ilmiön pani ensimmäisenä merkille kasvitieteilijä
Robert Brown vuonna 1827. Hän ei kuitenkaan löytänyt selitystä ilmiölle.
Einsteinin mallin mukaan kyseisen liikkeen saa aikaan vesimolekyylien
lämpöliike. Pienet hiukkaset heilahtavat paikaltaan molekyylin törmäyksen
voimasta. Suurempiin hiukkasiin vastaavia törmäyksiä tapahtuu runsaammin, mutta
kappaleiden joka puolelle, josta johtuen törmäysreaktiot kumoavat toisensa ja
kappaleet näyttävät pysyvän paikoillaan.
[4] Valonnopeus tyhjiössä on vakio riippumatta valonlähteen
ja tai havaitsijan liikenopeudesta. Väliaineessa (esimerkiksi ilma) valonnopeus
ei ole vakio vaan vaihtelee väliaineen sähköisten ominaisuuksien mukaan.
[5] Suhteellisuusperiaatteen mukaan fysiikan lait ovat samat
kaikissa tasaisessa liikkeessä liikkuvissa koordinaatistoissa.
[6] Aikadilaatiossa liikkuvan havaitsijan aika kulkee
hitaammin kuin paikoillaan olevan havaitsijan.
[7] Pituuskontraktiossa, josta myös käytetään nimitystä
Lorentz-kontraktio, on liikesuunnassa tapahtuva kappaleiden pituuden
lyheneminen, joka on suhteessa liikkuvan kappaleen nopeuden suhteesta
valonnopeuteen. Valonnopeudella kappaleen pituus olisi nolla.
[8] Einstein, Albert (November 25, 1915). "Die
Feldgleichungen der Gravitation". Sitzungsberichte der Preussischen
Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 844–847. Retrieved 2006-09-12.
Einstein julkaisi kattavan tiivistelmän teoriastaan maaliskuussa 1916 (tästä syystä usein
julkaisuajankohdaksi väitetään vuotta 1916):
A. Einstein (1916). "Die Grundlage der allgemeinen
Relativitätstheorie". Annalen der Physik 354 (7): 769–822.
Bibcode:1916AnP...354..769E. doi:10.1002/andp.19163540702.
[9] Einstein, A (1917). "Kosmologische Betrachtungen
zur allgemeinen Relativitaetstheorie". Sitzungsberichte der Königlich
Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. part 1: 142–152.
[10] Tarkemmin, sen arvo oletettiin nollaksi.