Albert Einsteinin erikoinen suhteellisuusteoria täyttää vuonna 2005 sata vuotta. Yhdysvalloissa juhlinta on jo alkanut huippufyysikon töitä valottavalla suurnäyttelyllä.
Säästämme sinulta matkakulut. Ole hyvä, tässä suhteellisuusteorian pieni peruskurssi.


TEKSTI:Leena Tähtinen



Säästämme sinulta matkakulut. Ole hyvä, tässä suhteellisuusteorian pieni peruskurssi.

Julkaistu Tiede-lehdessä 2/2003

1. Miten Einstein päätyi teorioihinsa?

- Kun sinä tai minä matkustamme junassa, mietimme, lukeako lehteä vai poiketako ravintolavaunuun. Kun Albert Einstein istui junassa, hän mietti, mitä näkisi peilistä, jos juna kulkisi valon nopeutta. Einstein ei juuri piitannut havainnoista; hän teki ajatuskokeita, pohti, miten maailman ilmiöt voisi selittää mahdollisimman yksinkertaisella tavalla, vastaa Turun yliopiston avaruustähtitieteen professori Esko Valtaoja.

Bernin patenttiviraston virkailija Albert Einstein mietti työnsä ohessa. Myöhemmin hän teki ajatuskokeitaan professorina. Mietiskely kiteytyi kahteen teoriaan: 1905 julkaistuun erityiseen eli suppeampaan suhteellisuusteoriaan ja kymmenisen vuotta myöhemmin julkaistuun yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Erityinen eli suppeampi suhteellisuusteoria pohjautuu kahteen intuitiiviseen perusolettamukseen. Ensinnäkin, samat fysiikan lait pätevät kaikkialla.

- Laki on sama kaikille - mikä voisi olla sen selkeämpää? Esko Valtaoja toteaa. - Tieteellisemmin: luonnonlait ovat muuttumattomia kaikissa inertiaalikoordinaatistoissa. Jollei näin olisi, maailmassa vallitsisi täysi anarkia: esimerkiksi paikallaan oleva kappale tarvitsisi omat liikelakinsa, hitaasti liikkuva omansa, samoin nopeasti kiitävä.

  mahdollisimman yksinkertaisia ja arkijärkeen käypiä.

  on samanlainen huomennakin, Valtaoja selventää. - Vastaan pullikointi ei auta.

Näistä yksinkertaisista perusolettamuksista seuraa väistämättä Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria.

Teoria käsittelee kappaleita, jotka liikkuvat lähes valon nopeudella. Koska teoriasta puuttuu vetovoiman käsite (kappaleiden kiihtyvä liike), tarvittiin toinen teoria, yleinen suhteellisuusteoria.

2. Miten Einstein selittää vetovoiman?

Yleinen suhteellisuusteoria selittää vetovoiman olevan avaruuden geometriaa. Tämän oivaltaminen vaati ainutlaatuista irrottautumista vallitsevasta ajattelusta. Jopa Einstein tunnusti usein olevansa hukassa. - Massa (ja energia) kaareuttaa avaruutta - ikään kuin painaa sen kuopalle, selittää Helsingin yliopiston kosmologian professori Kari Enqvist. - Kaareutuminen on vetovoimaa, sillä kappaleiden liikkeet seuraavat kuopan muotoa.

3. Mitä teoriat ennustavat?

Jotta tieteellistä teoriaa voitaisiin testata, sen on ennustettava jotakin, mikä voidaan mitata.

- Suppeampi suhteellisuusteoria ennustaa, että kellojen käynti riippuu havainnoijan nopeudesta. Liikkuva kello näyttää paikallaan olevan havaitsijan mielestä jätättävän. Ilmiö, jota nimitetään aikadilataatioksi, on varmennettu monin mittauksin, Kari Enqvist sanoo.

- Yleinen suhteellisuusteoria puolestaan ennustaa muun muassa valon kaareutuvan vetovoiman vaikutuksesta. Eräs havaittu seuraus on gravitaatiolinssi-ilmiö eli taivaankappaleen - esimerkiksi galaksin - kyky taittaa sen takaa tulevaa valoa.

Suhteellisuusteoria ei kuitenkaan ole luonnonlaki, josta voisi laskea, millaisessa universumissa elämme. Tämän universumin ilmiöt näyttävät noudattavan suhteellisuusteorioita, mutta kaikkien niistä seuraavien vaihtoehtojen ei välttämättä tarvitse toteutua tässä universumissa. Suhteellisuusteoriat sallivat erilaisia maailmankaikkeuksia ja eri määriä ulottuvuuksia. Meidän neliulotteinen, laajeneva universumimme on yksinkertaisin tapaus.

4. Onko teoria todistettu oikeaksi?

- Mitään fysiikan teoriaa ei voida koskaan todistaa täysin varmasti oikeaksi - vain uskonnoissa on ikuisia ja varmoja "totuuksia". Mutta jossakin vaiheessa teoria on niin vahvalla pohjalla, että asiantuntijat käyttävät sitä yhtä luottavaisesti kuin kertotaulua, Esko Valtaoja sanoo.

Kari Enqvist puolestaan muistuttaa, että vaikka suhteellisuusteoria on pätevä, se ei yksin riitä.

- Luonto käyttää toimissaan muutakin kuin suhteellisuusteoriaa. Esimerkiksi atomiin liittyy sähkömagneettinen voima, joka ei sisälly suhteellisuusteoriaan. Toisaalta mittausten perusteella tiedetään, että atomimaailma on kvantittunut. Tarvitaan siis myös kvanttifysiikkaa, Enqvist tähdentää.

5. Miten teoria näkyy arjessa?

Suhteellisuusteoreettiset ilmiöt näkyvät suoraan vasta, kun nopeudet ovat hyvin lähellä valon nopeutta tai kun painovoimakenttä on äärimmäisen voimakas, esimerkiksi mustan aukon liepeillä. Nykyiset avaruusluotaimetkin pärjäävät vallan mainiosti ilman suhteellisuusteoriaa.

Silti suhteellisuusteoria koskettaa meitä. Konkreettisin esimerkki tästä on 24 satelliittiin perustuva GPS-paikannusjärjestelmä. Se ei näet toimi ilman suhteellisuusteoreettisia korjauksia. Paikkasi lasketaan ajasta, joka satelliitin signaalilla kestää saavuttaa sinut. Kun vastaanottimesi rekisteröi neljästä satelliitista tulevan signaalin viipeen sekunnin miljardisosan tarkkuudella, sinä saat sijaintisi metrin tarkkuudella.

- Jokaisen satelliitin kelloon vaikuttavat suppeamman suhteellisuusteorian mukainen aikadilataatio ja yleisen suhteellisuusteorian mukainen kiihtyvästä liikkeestä johtuva aikamuutos, kertoo Geodeettisen laitoksen professori Markku Poutanen. - Ilman suhteellisuusteoreettisia korjauksia GPS:n tarkkuus huononisi lähes kolmesataa metriä päivässä!

- Avaruuden kaareutuminen Maan lähellä sen sijaan aiheuttaa enintään noin kahden sentin virheen laskettuun paikkaan, joten sitä ei yleensä tarvitse ottaa huomioon, Poutanen täsmentää.

6. Mitä E = mc2 tarkoittaa?

- Energia on massaa ja massa energiaa, eli "massa" ja "energia" ovat saman asian eri nimiä. Massa ei siis sisällä energiaa kuten Elovena-paketti kauraryynejä, vaan massa ja energia tarkoittavat samaa asiaa kuten "aamutähti" ja "iltatähti", jotka molemmat tarkoittavat Venusta, Kari Enqvist vastaa.

7. Miksi valon nopeus on vakio?

- Maallikkoja kiehtoo usein valon nopeus ja sen ylittäminen, mutta valon nopeus ei ole Einsteinin suppeamman suhteellisuusteorian ydin vaan seuraus. Suppeamman suhteellisuusteorian peruspilareista - "laki on kaikille sama" ja "avaruus on ollut aina ja kaikkialla sama" - seuraa loogisesti, että täytyy olla olemassa jokin kaikille sama vakionopeus, jota ei voi ylittää, Valtaoja selvittää.

Rajanopeuden olemassaolo ei siis perustu mittauksiin, vaan logiikkaan. Mittauksista sen sijaan pääteltiin rajanopeuden olevan juuri valon nopeus. Ellei näin olisi, olisi kovin hankala ymmärtää esimerkiksi Maxwellin yhtälöitä, joiden toimivuuteen perustuvat muun muassa kaikki sähkölaitteemme, Valtaoja muistuttaa.

8. Mitä valon nopeuden ylittämisestä seuraisi?

Maksiminopeuden - siis valon nopeuden - ylittämisen kieltää myös se, että edellytämme maailmalta loogisuutta: syyn on aina oltava ennen seurausta. Jos informaatio liikkuisi valoa nopeammin, valo syttyisi ennen kuin kosket katkaisinta.

- Valoa nopeammin matkaavasta syy ja seuraus näyttävät vaihtavan paikkaa; hän näkisi esimerkiksi Berliinin muurin murtuvan ennen toista maailmansotaa, Kari Enqvist toteaa.

Valoa nopeammin pääsisit aikamatkalle menneisyyteen - hallitsemaan tulevaisuutta!

9. Miten valon nopeuden ylitys sopii kuvaan?

Pari vuotta sitten fyysikot onnistuivat lähettämään valopulssin valoa nopeammin. Amerikkalainen Raymond Chio jakoi kokeessaan valopulssin kahteen osaan, joista toinen matkasi suoraan ilmaisimeen, toinen joutui tunneloitumaan "seinän" läpi. Tunneloitunut pulssin osa osui ilmaisimeen lähes kaksi kertaa "vapaata" valoa nopeammin.

Rikkoiko tunneloitunut pulssi suhteellisuusteoriaa? Jos siihen liittyi informaatiota - eli seuraus edelsi syytä - vastaus on kyllä.

Mutta mitä tarkkaan ottaen tarkoitetaan informaation siirtymisellä paikasta toiseen?

- Kvanttifysiikassahan kaikki on levällään kuin Jokisen eväät: mikään kappale ei ole vain yhdessä tarkoin määritellyssä paikassa, vaan levinneenä Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaisesti. Sama pätee informaatioon, joten informaatio voi tavallaan olla kaukanakin siitä paikasta, missä se "näyttää" olevan. Saattaa siis olla, ettei näissä kokeissa todellisuudessa siirry mikään mihinkään, Esko Valtaoja pähkäilee. Asia on edelleen fyysikoiden työlistalla.

10. Millainen havainto kaataisi teorian?

- Uudet einsteinit lähettelevät minulle tasaiseen tahtiin kirjeitä, joissa erilaisin ajatuskokein yrittävät ylittää valon nopeuden. Yritykset ovat aina olleet virheellisiä. Lisäksi niiden tekijät unohtavat, ettei erikoinen suhteellisuusteoria perustu valon nopeuden vakioisuuteen. Päinvastoin, mehän havaintojen perusteella oletamme, että juuri valon nopeus on erikoisen suhteellisuusteorian ennustama rajanopeus, Esko Valtaoja muistuttaa.

- Jos suhteellisuusteoria täytyy joskus korvata tarkemmalla teorialla, syynä voisi olla se, että niin sanotut piiloulottuvuudet muuttavat aika-avaruuden ominaisuuksia ja isotrooppisuudesta ja homogeenisuudesta täytyy vähän joustaa esimerkiksi hyvin pienessä mitassa, Valtaoja pohtii.

- Mutta ellei suhteellisuusteoria pitäisi paikkaansa, maailma olisi paljon monimutkaisempi ja sotkuisempi paikka kuin oletamme. Me havaitsisimme ennemmin tai myöhemmin, että esimerkiksi liikkuva kappale ei noudatakaan luonnonlakeja samalla tavalla kuin levossa oleva.


 


Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.