Albert Einstein oli kuuluisa monista asioista, mutta hänen suurin aivot lapsensa on suhteellisuusteoria. Se muutti ikuisesti ymmärrystämme ajasta ja ajasta.
Mikä on suhteellisuussuhde? Lyhyesti sanottuna on ajatus, että fysiikan lait ovat samat kaikkialla. Me täällä maan päällä noudatamme samoja valon ja painovoiman lakeja kuin joku kaukaisessa maailmankaikkeuden nurkassa.
Fysiikan universaalisuus tarkoittaa, että historia on maakunnallista. Eri katsojat näkevät tapahtumien ajoitukset ja etäisyydet eri tavalla. Se, mikä meille on miljoona vuotta, voi olla vain silmänräpäys jollekin nopealla raketilla lentävälle tai mustalle aukolle putoavalle.
Se on kaikki suhteellista.
Erityinen suhteellisuusteoria
Einsteinin teoria on jaettu erityiseen ja yleiseen suhteellisuusteoriaan.
Erityinen suhteellisuusteoria tuli ensin ja perustuu siihen, että valon nopeus on vakio kaikille. Se voi vaikuttaa tarpeeksi 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 heilahti auringon ympäri.
Tämä tulos oli fyysikoille yllättävä, koska useimpien muiden asioiden nopeus riippuu siitä, mihin suuntaan tarkkailija liikkuu. Jos ajat autollasi rautatien vieressä, sinua kohti tuleva juna näyttää liikkuvan paljon nopeammin kuin jos kääntyisit ympäri ja seuraisit sitä samaan suuntaan.
Einstein sanoi, että kaikki tarkkailijat mittaavat valon nopeuden olevan 186 000 mailia sekunnissa riippumatta siitä kuinka nopeasti ja mihin suuntaan he liikkuvat.
Tämä maksimi sai koomikon Stephen Wrightin kysymään: "Jos olet avaruusaluksessa, joka kulkee valon nopeudella ja kytket ajovalot päälle, tapahtuu jotain?"
Vastaus on, että ajovalot kytkeytyvät normaalisti, mutta vain jonkun näkökulmasta avaruusaluksen sisällä. Jollei ulkopuolella seisova tarkkailee aluksen lentää, ajovalot eivät näytä sytyvän: valo syttyy, mutta se kulkee samalla avaruusaluksen nopeudella.
Nämä ristiriitaiset versiot syntyvät, koska hallitsijat ja kellot - asiat, jotka merkitsevät aikaa ja tilaa - eivät ole samat eri tarkkailijoille. Jos valon nopeutta on pidettävä vakiona, kuten Einstein sanoi, niin aika ja tila eivät voi olla absoluuttiset; heidän on oltava subjektiivisia.
Esimerkiksi 100 jalan mittainen avaruusalus, joka kulkee nopeudella 99,99% valon nopeudesta, näyttää yhden jalkaa pitkään paikallaan olevalle tarkkailijalle, mutta se pysyy normaalina pituutena aluksella olleille.
Ehkä jopa omituisempi, aika kulkee hitaammin, sitä nopeammin menee. Jos kaksoset kulkevat ylinopeutta lisäävällä avaruusaluksella jonkin kaukaisen tähden päälle ja palaa sitten takaisin, hän on nuorempi kuin hänen sisarensa, joka jäi maan päälle.
Myös massa riippuu nopeudesta. Mitä nopeammin esine liikkuu, sitä massiivisemmaksi se tulee. Itse asiassa mikään avaruusalus ei voi koskaan saavuttaa 100% valon nopeudesta, koska sen massa kasvaa äärettömyyteen.
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 valon nopeus.
Yleinen suhteellisuusteoria
Einsteiniä ei tehty niin, että se häiritsisi ymmärrystämme ajasta ja tilasta. Hän jatkoi teoriaansa sisällyttämällä siihen kiihtyvyyden ja totesi, että tämä vääristi ajan ja tilan muotoa.
Noudata yllä olevaa esimerkkiä: Kuvittele avaruusaluksen nopeutuvan ampumalla työntövoimansa. Aluksella olevat tarttuvat maahan aivan kuin he olisivat maan päällä. Einstein väitti, että voima, jota kutsumme painovoimaksi, ei ole erotettavissa olemisesta kiihtyvässä aluksessa.
Tämä sinänsä ei ollut niin vallankumouksellista, mutta kun Einstein suoritti monimutkaisen matematiikan (se vei häneltä 10 vuotta), hän huomasi, että tila ja aika ovat kaarevat massiivisen esineen lähellä, ja tämä kaarevuus on se, mitä koemme painovoimana.
Yleisen suhteellisuuden suhteen kaarevaa geometriaa on vaikea kuvata, mutta jos ajattellaan avaruus-aikaa eräänlaisena kankaana, niin massiivinen esine venyttää ympäröivää kangasta siten, että kaikki lähellä kulkeva ei enää seuraa suoraa viivaa.
Yleissuhteellisuustekijöiden yhtälöt ennustavat useita ilmiöitä, joista monet on vahvistettu:
- valon taivutus massiivisten esineiden ympärille (painovoimainen linssi)
- hidas kehitys Merkurius-planeetan kiertoradalla (perihelion-precessio)
- avaruus-ajan kehysveto pyörivien kappaleiden ympäri
- valon heikkeneminen pakenevasta painovoiman vetävyydestä (painovoimainen punasiirtymä)
- painovoima-aallot (väreilyt avaruudessa-aikakankaassa), jotka aiheuttavat kosmiset smashupit
- mustien reikien olemassaolo, jotka vangitsevat kaiken, mukaan lukien valo
Avaruusajan vääntyminen mustan aukon ympärillä on voimakkaampaa kuin missään muualla. Jos avaruuteen sijoittuva kaksoset putoaisivat mustaan reikään, hänet venytettäisiin kuin spagetteja.
Hänelle onneksi se kaikki ohi muutamassa sekunnissa. Mutta hänen sisarensa maan päällä ei koskaan näe sen loppua - tarkkailemassa huonoa sisartaan astuessaan asteittain kohti mustaa reikää maailmankaikkeuden ikäisenä.
Tämän artikkelin päivitti 2. heinäkuuta 2019 Live Science -tuottaja Tim Childers.
