Relatiivsus: ruumi ja aja mõiste mõistmine füüsikas
Relatiivsusteooria on üks tänapäeva füüsika kõige fundamentaalsemaid mõisteid, mis muudab meie arusaama universumist. Albert Einsteini poolt 20. sajandi alguses tutvustatud relatiivsusteooria jaguneb kaheks põhiosaks: erirelatiivsusteooria ja üldrelatiivsusteooria. Mõlemad pakuvad sügavamat arusaama ruumist, ajast ja gravitatsioonist.
1. Relatiivsusteooria lühiajalugu
19. sajandi lõpuks oli Isaac Newtoni loodud klassikaline füüsika loonud kindla aluse paljudele füüsika aspektidele. Siiski ei olnud mõningaid nähtusi Newtoni teooriaga võimalik seletada. Üks suurimaid väljakutseid oli Newtoni mehaanika ja James Clerk Maxwelli loodud elektromagnetismi kokkusobimatus. Maxwelli pakutud valguse kiiruse konstantsust ei saanud seletada Newtoni mehaanika raamistikus, mis eeldas absoluutset aega ja ruumi.
1905. aastal avaldas Albert Einstein töö, mis tutvustas erirelatiivsusteooriat. See teooria ühendas ruumi ja aja mõisted üheks tervikuks, mida nimetatakse aegruumiks, ning näitas, et valguse kiirus on kõigis inertsiaalsetes taustsüsteemides konstantne. Kümme aastat hiljem, 1915. aastal, tutvustas Einstein oma üldrelatiivsusteooriat, mis laiendas erirelatiivsusteooria mõisteid, et need hõlmaksid ka gravitatsiooni, asendades Newtoni gravitatsioonimõiste massi ja energia poolt määratud aegruumi kõveruse muutuste kontseptsiooniga.
2. Erirelatiivsusteooria
Põhiprintsiibid
Erirelatiivsusteooria põhineb kahel peamisel postulatsioonil:
1. Füüsikaseadused kehtivad kõigis inertsiaalsetes taustsüsteemides samad.
2. Valguse kiirus vaakumis on konstantne ja ei sõltu vaatleja ega valgusallika liikumisest.
Erirelatiivsusteooria tagajärjed
Nendest kahest põhimõttest tulenevad mõned üllatavad tagajärjed, mis on vastuolus igapäevase intuitsiooniga:
– Aja dilatatsioon: aeg liigub vaatleja suhtes liikuvate objektide puhul aeglasemalt. Seda nähtust on demonstreeritud erinevates katsetes, näiteks valguse kiiruse lähedal liikuvate subatomaarsete osakeste vaatlustes ja aatomkellade kasutamises lennukites.
– Pikkuse kahanemine: vaatleja suhtes liikuv objekt paistab lühem. See nähtus toimub paralleelselt objekti liikumissuunaga.
– Massi relatiivsus: mass suureneb kiirusega. Kui objekt läheneb valguse kiirusele, läheneb selle mass lõpmatusele, mis tähendab, et selle edasiseks kiirendamiseks oleks vaja lõpmatut energiat.
Üks kuulsamaid erirelatiivsusteooriast tuletatud valemeid on võrrand E=mc², mis näitab massi (m) ja energia (E) ekvivalentsust, kusjuures valguskiiruse konstant (c) on kordaja.
Tehnoloogia mõjud
Erirelatiivsusteoorial on mõju mitte ainult teooriale, vaid ka tänapäeva tehnoloogiale. Näiteks on globaalne positsioneerimissüsteem (GPS), mis nõuab täpse positsioneerimise tagamiseks oma signaalides relativistlikke korrektsioone.
3. Üldrelatiivsusteooria
Põhiprintsiibid
Üldrelatiivsusteooria laiendab erirelatiivsusteooria kontseptsioone, et hõlmata gravitatsiooni kui aegruumi geomeetriat. Selle põhiprintsiibid on:
1. Gravitatsioon ei ole jõud nagu Newtoni teoorias, vaid pigem massi ja energia poolt põhjustatud aegruumi kõverus või kõverus.
2. Mass ja energia muudavad aegruumi meetrikat, mis mõjutab objektide lühimaid teid selles aegruumis.
Ruumi-aja geomeetria
Üldrelatiivsusteooria kohaselt painutavad massiivsed objektid, nagu tähed ja planeedid, enda ümber aegruumi. Geodeesia ehk lühimad teed selles kõveras aegruumis põhjustavad nähtuse, mida me tunneme gravitatsioonina. Seda kontseptsiooni saab visualiseerida, kui ette kujutada aegruumi kummilehena, mis paindub, kui sellele asetada raske pall.
Olulised nähtused
Üldrelatiivsusteooria selgitab mitmesuguseid nähtusi, mida Newtoni mehaanika ei suuda seletada, näiteks:
– Gravitatsioonilääts: kaugete tähtede või galaktikate valgust saab painutada massiivsete objektide, näiteks galaktikate või mustade aukude, gravitatsiooni tõttu, tekitades suurendatud või moonutatud kujutisi.
– Gravitatsiooniline punanihe: massiivsest objektist väljuva valguse sagedus väheneb (punastab) tugeva gravitatsiooni mõjul.
– Gravitatsioonilained: aegruumi kõveruse kõikumised, mis on põhjustatud massi kiirest liikumisest, näiteks kahe ühineva musta augu puhul. Need lained tuvastati esmakordselt otseselt LIGO katsete abil 2015. aastal.
Üldrelatiivsusteooria testimine
Üks esimesi üldrelatiivsusteooria eksperimentaalseid katseid oli Sir Arthur Eddingtoni vaatlus Merkuuri periheeli nihkest ja 1919. aasta päikesevarjutusest. See päikesevarjutus võimaldas jälgida Päikese lähedal asuvate tähtede valguse kaldumist vastavalt üldrelatiivsusteooria ennustustele.
4. Kosmoloogiline kontekst
Üldrelatiivsusteooria on ka tänapäevase kosmoloogia alus – universumi päritolu, evolutsiooni ja struktuuri teaduslik uurimine. Paisuva universumi mudelid, sealhulgas Suure Paugu mudel, põhinevad üldrelatiivsusteooriast tuletatud Einsteini väljavõrranditel.
Universumi paisumine
Hubble'i seadus, mis näitab, et galaktikad liiguvad üksteisest eemale, on üks tugevamaid tõendeid universumi paisumise kohta. Seda saab seletada ainult üldrelatiivsusteooria raames.
Tumeaine ja tumeenergia
Üldrelatiivsusteooria ennustab ka nähtamatute üksuste, mida me nimetame tumeaineks ja tumeenergiaks, olemasolu. Tumeaine, mida arvatakse eksisteerivat tohututes kogustes, ei kiirga ega peegelda valgust, kuid selle olemasolu saab järeldada selle gravitatsioonilisest mõjust nähtavale ainele. Teisest küljest arvatakse, et tumeenergia põhjustab universumi kiirenenud paisumist.
5. Relatiivsusteooria uuringute tulevik
Üld- ja erirelatiivsusteooria on tänaseni teoreetilise ja eksperimentaalfüüsika alustalad. Siiski on mitu uut uurimisvaldkonda:
Kvantvälja teooria ja kvantgravitatsioon
Üldrelatiivsusteooria ja kvantmehaanika ühendamine, mis on kaks füüsika kõige edukamat teooriat, on suur väljakutse. Kvantgravitatsiooni teooriate, näiteks stringiteooria ja silmuskvantgravitatsiooni teooriate väljatöötamise püüdlused püüavad seda lõhet ületada.
Äärmuslik nähtus
Mustade aukude ümbritsevate halode, Hawkingi kiirguse ja mustade aukude keskmes asuvate singulaarsuste uurimine on aktiivsed uurimisvaldkonnad, mida teadlased laialdaselt arutavad.
Järeldus
Relatiivsusteooria, nii eriline kui ka üldine, on radikaalselt muutnud meie arusaama ruumist, ajast ja gravitatsioonist. Selle teooriate mõistmine pole mitte ainult rikastanud meie teaduslikku silmaringi, vaid pakkunud ka praktilist kasu paljudes tänapäevastes tehnoloogiates. Jätkuv uurimistöö selles valdkonnas ja püüdlused ühendada gravitatsioon kvantmehaanikaga lubavad tulevikus uusi teadmisi. Lühidalt öeldes aitab relatiivsusteooria meil universumit terviklikumalt ja sügavamalt mõista.
