Relatiivsusteooria

Allikas: Vikipeedia

Vajab toimetamist

Relatiivsusteooria (suhtelisusteooria) on põhiliselt Albert Einsteini poolt loodud füüsika teooria, mis revideerib Newtoni mehhaanikat ja Maxwelli elektrodünaamikat, rajades ühtlasi nende alusel ühtse, seesmiste vastuoludeta teooria.

Relatiivsusteooria koosneb erirelatiivsusteooriast (avaldatud 1905) ja erirelatiivsusteooriat üldistavast, gravitatsiooni olemust kirjeldavast üldrelatiivsusteooriast (lõpetatud 1916), mis taandab gravitatsiooni aegruumi kõverusele.

Relatiivsusteooria revideerib klassikalise füüsika arusaamu ajast ja ruumist. Erirelatiivsusteooria käsitleb muuhulgas ruumi ja aja käitumist teineteise suhtes liikuvate vaatlejate seisukohast. Aeg ja ruum osutuvad suhtelisteks: kestus ja vahemaa võivad olla eri vaatlejate jaoks erinevad. Aeg ja ruum saavad mõistetavaks ühtse aegruumi raames.

[redigeeri] Üldarusaadav lühikokkuvõte relatiivsusteooria sisust

Kui 30 km/h sõitvas rongis veereb rongi liikumise suunas pall, mille kiirus vaguni põranda suhtes on 20km/h, siis raudtee kõrval seisva vaatleja suhtes näib pall liikuvat 20+30 km/h. Kui aga rongi asemel oleks peaaegu valguse kiirusel liikuv kosmoselaev ja palli asemel valguskiir, siis kosmoselaevast väljaspool oleva vaatleja jaoks kiiruste liitumist ei toimu. Valguse kiirus on võrdne kõigi vaatlejate suhtes, sõltumata nende liikumisest valguse allika suhtes – see on Einsteini erirelatiivsusteooria esimene postulaat.

Teise postulaadi kohaselt kehtivad kõigile ühtlaselt liikuvatele vaatlejatele samad füüsikaseadused.

Mõlemad postulaadid saavad olla tõesed ainult siis, kui universaalset aega ja ruumi ei eksisteeri, vaid kestus ja vahemaa muutuvad sõltuvalt vaadeldava süsteemi kiirusest vaatleja taustsüsteemi suhtes. Kiiresti liikuva objekti aeg aeglustub ja liikumissuunalised mõõtmed vähenevad.

Valguse kiirusest palju väiksemate kiiruste puhul on need erinevused väga väiksed, seepärast on teooria igapäevakogemuse pinnalt raskesti mõistetav. Erinevusi on aga katseliselt kinnitatud, näiteks lennutades ülitäpseid kelli kiiretes lennukites.

Kiiruse suurenedes suureneb ka keha mass, mis kiiruse lähenedes valguse kiirusele läheneb lõpmatusele. Seepärast saab valguse kiirus olla vaid objektidel, mille seisumass on null.

Erirelatiivsusteooria sidus suhtelise aja ja ruumi neljamõõtmeliseks aegruumiks. Üldrelatiivsusteoria lisas aegruumile kõveruse, milleks on gravitatsioon. Mass kõverdab ruumi ja valguskiir järgib seda kõverust. Selle teooria järgi on inertsiaalne ja gravitatsiooniline mass ekvivalentsed ning pole võimalik kindlaks teha, kas keha asub kiirendusega liikuvas taustsüsteemis või gravitatsiooniväljas. Relatiivsusteooriast järeldub ka aine ja energia ekvivalentsus ning kuulus valem E=mc².

Relatiivsusteooria tuletab meile meelde, et kaugeid objekte ei näe me kunagi sellistena, nagu nad on praegusel hetkel, sest mistahes informatsioonil kulub meieni jõudmiseks aega. Ei ole mingit võimalust kindlaks teha, kas kauged sündmused toimuvad samaaegselt või isegi millises järjekorras nad toimuvad. Ei ole olemas absoluutset paigalseisu ega absoluutset liikumist. Üksteise suhtes liikuvatel vaatlejatel on erinev omaaeg.

Erirelatiivsusteooria järgi ei ole olemas eelistatud taustsüsteeme – nimelt võib iga vaatleja lugeda ennast paigalseisvaks ja teisi enda suhtes liikuvaks. Siit tuleneb nn kaksikute paradoks – kujutleme kaksikuid, kellest üks lahkub valguse kiirusele lähedasel kiirusel kosmoselennule ja teine jääb koju. Kui kosmonaudist kaksik Maale naaseb, on tema jaoks kulunud vähem aega ning ta on jäänud nooremaks kui kodune kaksik. Näib, et tegu on paradoksiga, sest kummalgi oleks nagu õigus oletada, et just tema seisis paigal ja teine liikus temast eemale ja vastupidi. Sellele paradoksile on antud erinevaid selgitusi, mis valgustavad sama reaalsust eri vaatenurgast, olles ainult näiliselt omavahel vastuolus. Kõige lihtsama seletuse kohaselt on võrdväärsed ainult inertsiaalsed taustsüsteemid; kosmosekaksik pidi aga oma raketti pidurdama ja seega asus ta mitteinertsiaalses taustsüsteemis. Ja kiirendus, erinevalt kiirusest, pole suhteline, vaid absoluutne.

Paljud füüsikud kalduvad eelistama paradoksi seletust, mis kasutab toimunu illustreerimiseks Hermann Minkowski poolt välja pakutud ja Einsteini poolt kasutusele võetud neljamõõtmelise aegruumi mõistet. Neljamõõtmelise aegruumi elemendiks on sündmus, millel on ühe ajakoordinaadiga määratud aeg ja kolme ruumikoordinaadiga määratud koht. Joonistel kujutatakse lihtsuse mõttes sageli vaid üht ruumikoordinaati. Neljamõõtmeline aegruumiline intervall sündmuste vahel jääb kõigis taustsüsteemides samaks; valguse kiirusest saab aja- ja ruumiühikute vastastikuse teisendamise abivahend.

Erirelatiivsusteooria sidus suhtelise aja ja ruumi neljamõõtmeliseks aegruumiks. Üldrelatiivsusteooria lisas aegruumile kõveruse, milleks on gravitatsioon. Selle teooria järgi on inertsiaalne ja gravitatsiooniline mass ekvivalentsed, samuti pole võimalik kindlaks teha, kas keha asub kiirendusega liikuvas taustsüsteemis või gravitatsiooniväljas. Mass kõverdab ruumi ja valguskiir järgib seda kõverust; vabalt langevad objektid liiguvad mööda kõvera ruumi geodeetilisi jooni. Gravitatsioon mõjutab lisaks ruumile ka aega, võimaldades järjekordse lahenduse kaksikute paradoksile: gravitatsioonilise "lohu" põhjas käivad kellad aeglasemalt kui "kõrgemal" olevad. Kõvera aegruumi kirjeldamiseks ei sobinud enam Eukleidese geomeetria ja Einstein võttis abiks Bernhard Riemanni loodu.

Ülimassiivsed objektid võivad enda ümber ruumi kõverdada nii palju, et kõverusse sattunud valguskiir (ega ka miski muu) sealt enam välja ei pääse. Neid ruumiauke nimetatakse mustadeks aukudeks; üldrelatiivsusteooria põhjal ennustati nende olemasolu ja astronoomid on seda hiljem vaatlustega kinnitanud. Teiseks omapäraseks relatiivsusteooriast teoreetiliselt tuletatavaks nähtuseks on nn ussiaugud ehk otseteed kõvera ruumi kaugete piirkondade vahel. Need on ainet andnud arvukatele ulmekirjanikele. Samuti tulenes üldrelatiivsusteooriast asjaolu, et ajal pidi olema alghetk – nn Suur Pauk. Einstein ise püüdis sellest järeldusest mööda pääseda nn kosmoloogilise konstandi sissetoomisega. Hilisemad füüsikud ja kosmoloogid on loonud erinevaid teooriaid ja mudeleid nii aja alguse kirjeldamiseks kui relatiivsusteooria ja kvantteooria ühendamiseks.

Relatiivsusteooria peamiseks tekkepõhjuseks oli asjaolu, et mõõtes valguse kiirust kahelt üksteise suhtes liikuvalt objektilt, saab mõlemal juhul valguskiiruse – see ei sobinud kokku Newtoni eukleidilise ruumikäsitlusega.

Einstein ei väitnud, et "kõik asjad on suhtelised", nagu paljud füüsikat igapäevaellu mugandavad – ta väitis, et suhtelised on (muuhulgas) järgmised asjad:

Vaatleja asukohast sõltub, kas kaks sündmust kahes punktis toimuvad üheaegselt või toimub üks neist varem või toimub teine varem
Vaatleja asukohast sõltub objekti mass, suurus, kuju ja kiirus

Eelnevast tulenevalt ei ole olemas absoluutset aega, mis kulgeks igal pool konstantse kiirusega (st. sellist ei saa mõõta).

Samuti näitas Einstein massi ja energia võrdelisuse (E = mc²), mis tähendab, et objekti massi suurenedes suureneb ka selle energia ja vastupidi.

Samuti on nendega seotud aja kiirus – lähenedes valguse kiirusele, jääb aeg peaaegu seisma. Valguse jaoks ei möödu hetkegi ühest punktist teise jõudmiseks. Kell käib mäetipus (maa massikeskmest kaugemal) teise kiirusega, kui orus (kontrollitud täpsete kelladega).

Einsteini relatiivsusteooria võrrandid on edasiarendus Maxwelli võrranditest, mis on viidud kokku relatiivsusteooria lähtekontseptsiooniga.

Samuti väitis ta, et kiiruste kokkuliitmiseks ei sobi matemaatika liitmistehe, vaid lisades objektile, mis vaatleja suhtes liigub valguse kiirusele lähedasel kiirusel, veel sama palju kiirust, liigub see objekt vaatleja suhtes endiselt valguse kiirusele lähedasel kiirusel (kahe objekti kiirus üksteise suhtes on alati väiksem, kui valguse kiirus, kui ei ole tegu olematu seisumassiga osakesega, mille kiirus suvalise objekti suhtes on valguse kiirus).