Üldised ja erirelatiivsusteooriad
Albert Einstein on füüsika ajaloo üks mõjukamaid tegelasi, peamiselt tänu kahele kuulsale teooriale, mille ta välja töötas: erirelatiivsusteooria ja üldrelatiivsusteooria. Need kaks teooriat mitte ainult ei muutnud revolutsiooniliselt meie arusaama ruumist ja ajast, vaid panid aluse ka paljudele tänapäevastele avastustele ja tehnoloogiatele. Selles artiklis uurime mõlema teooria olemust, nende omavahelist seost ning nende mõju füüsikale ja igapäevaelule.
Erirelatiivsusteooria
Ajalugu ja areng
Erirelatiivsusteooria sõnastas Einstein 1905. aastal artiklis pealkirjaga "Liikuvate kehade elektrodünaamikast". Enne selle teooria tutvustamist eeldasid tuntud füüsikud, näiteks Isaac Newton, et ruum ja aeg on absoluutsed. Mitmed katsed ja nähtused hakkasid aga näitama, et see eeldus ei ole kõige selgitamiseks piisav. Näiteks Michelson-Morley katse ei suutnud tuvastada "eetrit", keskkonda, mille kaudu valgus levib.
Põhieeldused ja põhimõtted
Erirelatiivsusteooria põhineb kahel peamisel postulaadil:
1. Relatiivsusteooria: Füüsikaseadused kehtivad kõigis inertsiaalsetes taustsüsteemides samad.
2. Valguskiiruse konstant: Valguskiirus vaakumis on konstantne ega sõltu allika ega vaatleja liikumisest.
Sellest postulaadist järeldas Einstein mitu üllatavat tagajärge:
– Aja dilatatsioon: aeg kulgeb aeglasemalt objekti jaoks, mis liigub paigalseisva vaatleja suhtes. Seda nähtust on demonstreeritud mitmesuguste katsetega, sealhulgas suurel kiirusel liikuvate subatomaarsete osakeste vaatlustega.
– Pikkuse kahanemine: Objekti pikkus väheneb, kui see liigub statsionaarse vaatleja suhtes.
– Samaaegsuse relatiivsus: kaks sündmust, mis toimuvad samaaegselt ühes tugisüsteemis, ei pruugi toimuda samaaegselt tugisüsteemis, mis liigub esimese süsteemi suhtes.
E = m²
Üks erirelatiivsusteooria kuulsamaid tulemusi on võrrand E = mc², mis väidab, et energia (E) ja mass (m) on ekvivalentsed ning neid saab teisendada konstandi c² (valguse kiirus vaakumis ruudus) abil. Sellel võrrandil on olulised tagajärjed, sealhulgas tuumaenergia alus.
Üldine relatiivsusteooria
Latar Belakang
Pärast erirelatiivsusteooria sõnastamist alustas Einstein tööd selle teooria üldistamisega, et see hõlmaks kiirendust ja gravitatsiooni, mis vormistati lõpuks 1915. aastal üldise relatiivsusteooriana.
Samaväärsuse põhimõte
Üldrelatiivsusteooria nurgakiviks on ekvivalentsusprintsiip, mis väidab, et gravitatsiooni mõjud on lokaalses taustsüsteemis kiirendusest eristamatud. Teisisõnu, Maa pinnal suletud ruumis viibimine on samaväärne Maa gravitatsiooniga võrdse kiirendusega kiirendava raketi sees viibimisega suletud ruumis.
Ruumiaeg kui geomeetria
Selles teoorias ei ole gravitatsioon jõud, nagu seda kirjeldatakse Newtoni seadustes, vaid massi ja energia poolt põhjustatud aegruumi kõveruse ilming. Ruumi ja aega käsitletakse omavahel ühendatud neljamõõtmeliste üksustena, mida nimetatakse aegruumiks.
Einsteini väljavõrrandid, mis moodustavad üldise relatiivsusteooria aluse, kirjeldavad, kuidas aine ja energia energia ja impulsi jaotus mõjutab aegruumi kõverust.
Eksperimentaalne kinnitus
Üldrelatiivsusteooriat on kinnitanud arvukad katsed ja vaatlused, sealhulgas:
– Valguse kõrvalekalle gravitatsiooni poolt: Üks esimesi katseid oli tähevalguse kõrvalekalde jälgimine päikese lähedalt möödudes täieliku varjutuse ajal 1919. aastal.
– Ekvivalentsusprintsiip: gravitatsiooni mõju jälgimine ajale (gravitatsiooniline aja dilatatsioon) aatomkella abil.
– Gravitatsioonilained: 2015. aastal tuvastas LIGO observatoorium lõpuks Einsteini ennustatud gravitatsioonilained.
Mõlema teooria tagajärjed ja rakendused
GPS ja relatiivsusteooria
Globaalne positsioneerimissüsteem (GPS) on üks tänapäevane tehnoloogia, mis tugineb neile kahele relatiivsusteooriale. GPS-satelliidid liiguvad suurel kiirusel ja töötavad nõrgemas gravitatsiooniväljas kui Maa pind. Seetõttu on süsteemi täpse teabe pakkumiseks vaja nii spetsiaalse kui ka üldise aja dilatatsiooni korrektsioone.
Kosmoloogia
Üldrelatiivsusteooria on tänapäevase kosmoloogia alus, mis võimaldab meil mõista universumi struktuuri ja evolutsiooni. Selles kontekstis selgitab teooria selliseid nähtusi nagu universumi paisumine, mustad augud ja kosmiline taustkiirgus. Praegu kosmoloogias laialdaselt aktsepteeritud Suure Paugu mudel on samuti üldrelatiivsusteooria universumi skaalale rakendamise tulemus.
Ruumi ja aja filosoofia
Mõlemal Einsteini teoorial oli suur mõju filosoofiale ning ruumi ja aja mõistetele. Newtoni vaates peeti ruumi ja aega absoluutseteks ja sõltumatuteks, samas kui relatiivsusteoorias on need relatiivsed ja dünaamilised, mida mõjutavad mass ja energia.
Sulgemine
Albert Einsteini erirelatiivsusteooria ja üldrelatiivsusteooria on muutnud meie arusaama maailmast. Need mitte ainult ei paku füüsikaliste nähtuste täpsemaid selgitusi, vaid sillutavad teed ka uuenduslikele teaduslikele avastustele ja tehnoloogiatele, mis mõjutavad sügavalt inimelu. GPS-ist kosmoloogiani on nende teooriate mõjud endiselt lahutamatud teadusliku uurimistöö ja tehniliste rakenduste jaoks. Kuigi need kaks teooriat on keerulised ja kohati vastuolulised, on need olulised alustalad meie püüdlustes mõista universumit ja kõike selles olevat.
