Suhteellisuusteoria

Suhteellisuusteoria tarkoittaa kahta erillistä fysiikan teoriaa: erityistä ja yleistä suhteellisuusteoriaa. Näiden yhteinen piirre on niiden perustuminen suhteellisuusperiaatteeseen, joka on yksi koko fysiikan keskeisimmistä periaatteista. Suhteellisuusperiaatteen mukaan luonnonlait tai fysiikan teoriat ovat samat kaikissa tilanteissa eli eri tilanteissa pätevät samat lait.

Suhteellisuusteoria on tunnettu tavastaan vaatia jossain määrin erityistä ajattelukykyä, koska siihen liittyvien asioiden hahmottaminen on ihmisten arkipäivälle vierasta. Siihen liittyen onkin laadittu monia näennäisen ristiriitaisia ajatuskokeita, joita esitellään usein populaarikirjallisuudessa. Eräs tunnetuimmista ajatuskokeista on kaksosparadoksi. Tietyllätapaa epäintuitiivisen sisältönsä vuoksi suhteellisuusteoria on herättänyt paljon intohimoja tieteen- ja filosofian harrastajien keskuudessa.

Historiallisesti ajatellen erityinen suhteellisuusteoria sai alkunsa 1800-luvun loppupuolella, jolloin kuuluisa Michelsonin–Morleyn koe; aiheutti päänvaivaa sen ajan tieteelliselle yhteisölle. Koe tehtiin vuonna 1887 ja sen perusteella ei voitu havaita kaiken kattavaa eetteriä, jonka suhteen valo liikkuisi vakionopeudella. Einsteinin olettamus, että valonnopeus on havaitsijan liiketilasta riippumaton luonnonvakio, johti siihen, että koordinaatistolla ja ajalle täytyy tehdä muunnos havaitsijan liiketilasta riippuen. Muunnosyhtälöt nimettiin Lorentz-muunnokseksi alankomaalaisen Hendrik Antoon Lorentzinin mukaan, joka 1890 johti saman yhtälön sähkökentässä liikkuvalle varaukselle.

Erityinen suhteellisuusteoria

Erityinen suhteellisuusteoria, joka tunnetaan myös suppeana tai erikoisena suhteellisuusteoriana on nykyisen fysiikan vallitseva käsitys tilasta, ajasta ja sähkömagnetismista. Albert Einstein julkaisi erityisen suhteellisuusteorian 1905. Se pätee pätee vain inertiaalikoordinaatistoissa eikä kykene käsittelemään kiihtyvää (tai hidastuvaa) liikettä. Erityinen suhteellisuusteoria on eräs tarkimmin verifioiduista fysiikan teorioista ja siihen liittyvät ilmiöt ovat jokapäiväisiä mm. hiukkas- ja astrofysiikan tutkimuksessa. Erityisen suhteellisuusteorian matematiikka on helposti omaksuttavissa ja joitakin sen tuloksia esitellään jo lukion fysiikassa. Se on myös yhteensopiva kvanttimekaniikan kanssa.

Yleinen suhteellisuusteoria

Yleinen suhteellisuusteoria on erityisen suhteellisuusteorian laajennus, joka selittää myös painovoiman ja pätee muutoinkin kiihtyvässä liikkeessä. Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteorian 1915. Yleinen suhteellisuusteoria ei ole vielä saavuttanut samanlaista hyväksyntää kuin suppea suhteellisuusteoria, mikä johtuu siitä ettei kaikkia sen ennustamia ilmiöitä, kuten gravitaatioaaltoja ole vielä saatu kokeellisesti varmistettua. Yleistä suhteellisuusteoriaa ei ole myöskään onnistuttu saattamaan kvanttimekaniikan kanssa yhteensopivaksi.

Yleisen suhteellisuusteorian perustavana ideana on avaruuden rakenne, mikä johtaa siihen, että teoriaan perehtyminen edellyttää tensorilaskennan tuntemista.