Yleinen suhteellisuusteoria

Yleinen suhteellisuusteoria () on painovoimaa kuvaava teoria, jonka kehitti saksalainen teoreettinen fyysikko Albert Einstein vuosina 1907–1915. Teorian mukaan kahden kappaleen välillä havaittu painovoima johtuu siitä, että kappaleiden massat kaareuttaa aika-avaruutta. Yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaatio siis tulkitaan avaruuden kaareutumisena, toisin sanoen avaruuden geometrianaann muuttumisena. Einsteinin teoria käyttää geometria Riemannin epäeuklidista geometriaa. Teoria korvaa Sir Isaac Newtonin vuonna 1686 julkaiseman teorian painovoimasta voimana massallisten kappaleiden välillä. Kokeiden mukaan Einsteinin teoria on tarkempi, ja on näin syrjäyttänyt Newtonin teorian modernissa fysiikassa. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa myös gravitaatioaaltojen olemassaolon.

Yleinen suhteellisuusteoria korjaa ja ennustaa joitakin todennettavia ilmiöitä, joita Newtonin teoria ei kykene selittämään tai ennustamaan. Tällaisia ovat esimerkiksi valonsäteiden taipumisen massiivisen kappaleen ympärillä ja Merkuriuksen tai muiden planeettojen periheliteorian kiertyminen. Lisäksi yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika hidastuu voimakkaassa gravitaatiokentässä. Yleinen suhteellisuusteoria ei ole ainoa relativistinen painovoimateoria, mutta se on malliltaan kaikkein yksinkertaisin, joka on kokeellisesti saadun tiedon mukaan sopusoinnussa. Vaikka teoria kykenee selittämään ja ennustamaan lukemattomia ilmiöitä, se jättää joitakin kysymyksiä avoinaisiksi. Kaikkein perustavaalaatua oleva kysymys on se, kuinka yleinen suhteellisuusteoria saadaan sovittamaan yhteen kvanttifysiikan lakien kanssa, jolloin lopputuloksena saadaan kvanttigravitaatio.

Teoriasta on kehittynyt modernin tähtitieteen yksi tärkeimmistä teorioista. Yleinen suhteellisuusteoria tarjoaa nykyisen ymmärryksen koskien mustia aukkoja. Yleinen suhteellisuusteoria on myös perustana alkuräjähdysteorialle.

Siirtymä erikoisesta yleiseen suhteellisuusteoriaan

Albert Einstein julkaisi vuonna 1905 erikoisen suhteellisuusteorian, jossa hän esitteli uudenlaiset käsitykset avaruudesta ja ajasta. Erikoinen suhteellisuusteoria sovittaa sähködynamiikan ja Newtonin liikelakien väliset ristiriitaisuudet. Suppea suhteellisuusteoria ei kuitenkaan ole yhdenmukainen Newtonin painovoimalain kanssa, minkä mukaan painovoima syntyy kahden kappaleen massan vuorovaikutuksesta. Newtonin painovoimalain mukaan kahden kappaleen välinen painovoima riippuu ainoastaan niiden massoista ja niiden välisestä etäisyydestä. Erikoinen suhteellisuusteoria taas kertoo, että mikään signaali, vuorovaikutus tai häiriö ei voi kulkea valoa nopeampaa. Newtonin lain mukaan kuitenkin muutokset painovoimakentässä tapahtuvat välittömästi.Jos esimerkiksi Aurinko häviäisi yht’äkkiä, niin Newtonin painovoimalain mukaan Maa alkaisi välittömästi muuttaa rataansa, mutta Aurinko näkyisi edelleen taivaalla aina kahdeksan minuutin ajan Newtonin painovoimalaki on siis ristiriidassa erikoisen suhteellisuusteorian ensimmäisen postulaatin kanssa. Albert Einstein aloitti vuonna 1907 työskentelemään uudenlaisen relativistisen painovoimateorian kanssa. Kahdeksan vuoden työn jälkeen Einstein sai yleisen suhteellisuusteorian valmiiksi. Teorian kulmakiveksi muodostui yksinkertainen periaate, ekvivalenssiperiaate, jonka avulla hän lopulta loi geometrisen painovoimateoriansa.

Ekvivalenssiperiaate

Koko yleisen suhteellisuusteorian peruslähtökohta on ekvivalenssiperiaate. Sen mukaan painovoimakentän ja tasaisesti kiihtyvän liikkeen vaikutuksia on mahdoton erottaa toisistaan millään kokeella edellyttäen että rajoitutaan aika-avaruuden riittävän pieneen alueeseen. Kärjistäen ekvivalenssiperiaatteen voidaan sanovan, että gravitaation aiheuttama kappaleiden putoaminen voidaan kumota siirtymällä vapaassa pudotuksessa olevaan koordinaatistoon. Klassinen esimerkki ekvivalenssiperiaatteesta on ihminen joka on hississä. Hissiä kannatteleva kaapeli on katkaistu ja hissi on näin vapaassa pudotuksessa. Hississä oleva henkilö tuntee tällöin painottomuuden ja jos hän ottaa taskustaan kellon ja päästää siitä irti, kello ei putoa vaan leijuu henkilön vierellä. Näin hississä olevan havaitsijan tuntemukset ovat hyvin samankaltaiset kuin kaukana avaruudessa ja kaukana gravitaatiolähteestä olevan havaitsijan tuntemukset. Albert Einsteinin avainhavainto oli se, että gravitaation aiheuttama voima ei eroa kiihtyvässä liikkeessä tunnetusta näennäisvoimasta. Toisin sanoen kiihtyvässä raketissa, jonka kiihtyvyys on tasan 9,81 m/s², kellon tiputtaminen ei eroa millään tavoin Maan pinnalla pudotetusta. Einstein joutui hylkäämään euklidisen geometrian, jotta kaikki kiihtyvässä liikkeessä olevat kappaleet olisivat keskenään samanarvoisia. Tämä johti Einsteinin kehittämään painovoimateoriaan, johon liittyy vahvasti aika-avaruuden kaareutuminen.

Perusperiaatteet

Yksi tunnetuimmista yleisen suhteellisuusteorian ominaisuuksista on se, että mitään painovoimaa ei varsinaisesti ole olemassa vaan havaittu selitetään aika-avaruuden kaareutumisella. Aika-avaruutta kaareuttavat massa, energia ja liikemäärä (tai energia-impulssi). Kaareutuneessa aika-avaruudessa kappale liikkuu lyhimpiä reittejä pitkin. Oleellisinta on se, että tilannetta tutkitaan neliulotteisessa aika-avaruudessa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruutta käsitellään neliulotteisena Lorentzin monistona. Aika-avaruuden kaareutumista kuvataan Einsteinin kenttäyhtälöiden avulla.

Yleinen suhteellisuusteoria perustuu muutamalle oletukselle. Yleisen suhteellisuuden periaatteen mukaan fysiikan lait ovat samat kaikille havaitsijoille, aivan sama ovatko ne kiihtyvässä liikkeessä, tasaisessa liikkeessä tai paikallaan. Yleisen kovarianssin mukaan fysiikan lait ovat samat kaikissa koordinaatistoissa. Yleinen suhteellisuusteoria vaatii myös, että liikeen ja geodeettisen liikkeen välillä vallitsee yhtä suuruus.

Lähteet

Katso myös