Ava peamenüü
Relatiivsusteooria rajaja Albert Einstein 1905. aasta paiku

Erirelatiivsusteooria on põhiliselt Albert Einsteini loodud füüsikateooria, mis revideerib Newtoni mehaanikat ja Maxwelli elektrodünaamikat, rajades ühtlasi nende alusel ühtse, seesmiste vastuoludeta teooria.

See käsitleb kehade ja väljade liikumist ruumis ja ajas. Ta laiendab mehaanikas avastatud Galilei relatiivsusprintsiibi erirelatiivsusprintsiibiks. Erirelatiivsusprintsiibi järgi ei ole mitte ainult mehaanika seadustel, vaid kõigil füüsikaseadustel kõigis inertsiaalsüsteemides ühesugune kuju. See kehtib muu hulgas elektrodünaamika seaduste kohta, mistõttu valguse kiirusel vaakumis on kõigis inertsiaalsüsteemides sama väärtus. Seega järeldub relatiivsusprintsiibist, et pikkused ja kestused sõltuvad vaatleja liikumisolekust ning pole olemas absoluutset ruumi ega absoluutset aega; see avaldub pikkuse kontraktsioonis ja aja dilatatsioonis. Aeg ja ruum saavad mõistetavaks ühtse aegruumi raames. Erirelatiivsusteooria teine tähtis järeldus on massi ja energia ekvivalentsus. Erirelatiivsusteooria käsitleb ka kiirendusi.

Erirelatiivsusteooria alguseks loetakse artiklit "Zur Elektrodynamik bewegter Körper",[1] mille Albert Einstein avaldas 1905. aastal pärast Hendrik Antoon Lorentzi ja Henri Poincaré eeltöid. Et teooria kirjeldab üksteise suhtes liikuvaid taustsüsteeme ning kestuste ja pikkuste relatiivsust, hakati seda varsti nimetama 'relatiivsusteooriaks. Kui Einstein 1915. aastal avaldas üldrelatiivsusteooria (lõpetatud 1916), nimetas Einstein varasema teooria erirelatiivsusteooriaks. Tänapäeval mõeldakse relatiivsusteooria all erirelatiivsusteooriat ja üldrelatiivsusteooriat koos. Viimane gravitatsiooni olemust, taandades selle aegruumi kõverusele.

Erirelatiivsusteooria andis seletuse Michelsoni-Morley eksperimendile. Hiljem kinnitasid seda teooriat Kennedy-Thorndike'i eksperiment ja paljud uued erirelatiivsusteooria testid.

SissejuhatusRedigeeri

  Pikemalt artiklis Erirelatiivsusteooria ajalugu

Klassikalise mehaanika seadustel on see eriline omadus, et nad toimivad igas inertsiaalsüsteemis, st igas kiirenduseta liikuvas süsteemis ühtemoodi (relatiivsusprintsiip). See võimaldab ka kiirrongis näiteks kohvi juua, ilma et kiirus 300 km/h mingit mõju avaldaks. Teisendusi (ümberarvutusvalemeid), millega klassikalises mehaanikas minnakse üle ühelt inertsiaalsüsteemilt teisele, nimetatakse Galilei teisendusteks, ning omadust, et need seadused ei sõltu inertsiaalsüsteemi valikust (Galilei teisendus neid ei muuda), nimetatakse Galilei invariantsuseks. Galilei teisenduse valemid põhinevad klassikalisel ettekujutusel kõigi sündmuste aluseks olevast kolmemõõtmelisest eukleidilisest ruumist ning sellest sõltumatust ühemõõtmelisest ajast. .

19. sajandi lõpus selgus aga, et Maxwelli võrrandid, mis kirjeldavad väga edukalt elektri-, magnet- ja optilisi nähtusi, ei ole Galilei-invariantsed. See tähendab, et Galilei teisendus lähtesüsteemi suhtes liikuvasse süsteemi muudab nende võrrndite kuju. Kui pidada Galilei invariantsust fundamentaalseks, siis ka valguse kiirus vaakumis sõltub taustsüsteemist. Siis kehtivad Maxwelli võrrandid ainult ühes taustsüsteemis ning mõõtmise abil peab saama määrata omaenda kiiruse selle taustsüsteemi suhtes. Kõige kuulsam katse, millega püüti mõõta Maa kiirust selle privilegeeritud süsteemi suhtes, on Michelsoni-Morley eksperiment. Ent ühegi katsega ei õnnestunud seda suhtelist liikumist näidata.

Probleemi teiseks lahenduseks on postulaat, et Maxwelli võrrandid kehtivad samal kujul igas taustsüsteemis ning hoopis Galilei invariantsus ei ole üldkehtiv. Galilei invariantsuse asemele tuleb siis Lorentzi invariantsus. Sellel postulaadil on oluline mõju ruumi ja aja mõistmisele, sest Lorentzi teisendused, mis jätavad Maxwelli võrrandid muutumatuks, ei ole puhtalt ruumi teisendused (nagu on Galilei teisendused), vaid ruum ja aeg muutuvad koos. Seejuures tuleb ka klassikalise mehaanika põhivõrrandid ümber formuleerida, sest need ei ole Lorentzi-invariantsed. Väiksemate kiiruste korral on Galilei teisendused siiski Lorentzi teisendustega nii sarnase, et erinevused ei ole mõõdetavad. Sellepärast ei räägi klassikalise mehaanika kehtivus väikeste kiiruste korral uuele teooriale vastu.

Erirelatiivsusteooria pakub niisiis laiema arusaamise ajast ja ruumist, mille puhul ka elektrodünaamika ei sõltu enam taustsüsteemist. Selle ennustusi on katseliselt palju kordi edukalt kontrollitud ja suure täpsusega kinnitatud.[2]


Erirelatiivsusteooria põhipostulaadidRedigeeri

  • 1. Vaatleja peab olema konkreetses taustsüsteemis. Järelikult dialoog loodusega on võimalik vaid siis, kui oleme ka ise looduses, mitte sellest väljaspool, kõrvalseisja positsioonil, mis pole võimalik. (Klassikalises mehaanikas tähendas objektiivsus maailma kirjeldamist sellest väljaspool oleva vaatleja seisukohalt, mis olevat võimalik silmapilkselt kohale saabuva signaali tõttu.)
  • 2. Maailmas puudub absoluutne aeg. Eri inertsiaalsüsteemides mõõdetud ajad on erinevad. (Aega mõõdetakse selles inertsiaalsüsteemis liikumatu kellaga.) Järelikult on aeg suhteline ja seotud konkreetse inertsiaalsüsteemiga.
  • 3. Kahes punktis toimuvate sündmuste üheaegsus on suhteline. Üheaegsus kehtib vaid antud inertsiaalsüsteemis. Ühes taustsüsteemis üheaegselt toimuvad sündmused toimuvad teistes taustsüsteemides eri aegadel, kui need taustsüsteemid liiguvad antud taustsüsteemi suhtes. Erinev on eri taustsüsteemides ka kahe sündmuse vaheline ajavahemik.
  • 4. Üheaegsuse suhtelisusest järeldub pikkuse suhtelisus. Näiteks erineb antud taustsüsteemis liikumatu varda pikkus sama varda pikkusest liikuvas taustsüsteemis. Järelikult, suhteline on ka ruum. See on seotud konkreetse inertsiaalsüsteemiga.
  • 5. Aeg ja ruum on omavahel seotud ning moodustavad neljamõõtmelise aegruumi, mis omakorda on seotud taustsüsteemi liikumisega teiste taustsüsteemide suhtes. Seda mõtet väljendas Albert Einstein sõnadega: „Varem arvati, et kui mingi ime tõttu kõik objektid häviksid, siis aeg ja ruum säiliksid. Relatiivsusteooria kohaselt kaovad koos asjadega ka ruum ja aeg.“
  • 7. Kaob liikumisseaduste universaalsus. Suurte kiiruste korral kaotavad kehtivuse klassikaline kiiruste liitmise seadus ja Newtoni teine seadus.
Kui v << c, kehtib Kui v ~ c, kehtib
Galilei kiiruste liitmise seadus Relativistlik kiiruste liitmise seadus
v = v1 + v2  , seega juhul kui u ≤ c ja vc, siis u' ≤ c.
Newtoni liikumisseadus Relativistlik liikumisseadus
 ,

kus:   on Leibnizi diferentseerimise tähistus.

  on jõud
  on mass
  on kiirus
  on aeg
 ,

kus   on kiirendus ja

  nimetatakse Lorentzi teguriks.

Vaata kaRedigeeri

  • Albert Einstein. Zur Elektrodynamik bewegter Körper. – Annalen der Physik und Chemie, 1905, 17, lk 891–921. Faksiimile.
  • G. Saathoff, S. Karpuk, U. Eisenbarth jt. Improved Test of Time Dilation in Special Relativity. – Phys. Rev. Lett., 2003, 91. [https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.91.190403 Resümee]. Aja dilatatsioonitegurit kontrolliti täpsusega 2,2 × 10−7.