Transcript Ensiaskeleet Einsteinin avaruusaikaan: eläkevuosieni opiskelu

Suhteellisuusteoriasta ja sen
kulttuurihistoriasta
Esitelmä Oulun Lyseon seniorien
kirjallisuuskerhossa
24.10.2014
Teuvo Laurinolli
Milestones on the road to relativity
Johannes Philoponus 490-570
Alexandrialainen filosofi ja
Aristoteleen kriitikko
• korosti empiirisen
havainnon merkitystä
verbaalis-loogisen
päättelyn sijasta
• Galileo Galilein ”oppi-isä”
Aristoteles 384-322 eaa
Milestones on the road to relativity
Galileo Galilei 1564-1642
Kokeellisen luonnontieteen perustaja
• Galilein suhteellisuusperiaate: Luonnonlait
näyttäytyvät samanlaisina kaikissa inertiaalikoordinaatistoissa
Milestones on the road to relativity
Isaac Newton 1642-1727
Englantilainen tieteen
jättiläinen, modernin
fysiikan perustaja
• Kappaleiden liikettä
koskeva teoria, klassinen
mekaniikka
• Gravitaatioteoria
• Absoluuttinen avaruus ja
aika
Newtonin mekaniikan peruslait
(Mekaniikan peruskäsitteet: nopeus, kiihtyvyys, voima)
① Jatkavuuden laki
① Dynamiikan peruslaki a = F/m (dp/dt = F)
① Voiman ja ja vastavoiman laki
Aika ja avaruus Newtonin
mekaniikassa
• Newton oletti, että aika ja avaruus ovat
absoluuttisia.
• Kaikilla tapahtumilla on absoluuttinen aika ja
paikka.
• Aika ja avaruus ovat tapahtumista
riippumattomia ”taustamuuttujia”.
Milestones on the road to relativity
Immanuel Kant 1724-1804
Saksalainen filosofi
• Aika ja avaruus ovat
havainnon ja tajunnan
kategorioita eivät
välttämättä todellisia
(das Ding an sich)
Milestones on the road to relativity
Bernhard Riemann 1826-1866
Saksalainen matemaatikko
Epäeuklidinen geometria ja
kaarevat avaruudet: Über die
Hypothese welche der
Geometrie zugrunde liegen
(Yleisessä suhteellisuusteoriassaan
Einstein nojautui Riemannin
kaarevan avaruuden teoriaan)
Milestones on the road to relativity
Ernst Mach 1838-1916
Tsekkiläis-itävaltalainen
fyysikko
• Liike on aina suhteellista,
ei ole absoluuttista
liikettä.
• Einstein kutsui häntä
suhteellisuusteorian
edelläkävijäksi
Milestones on the road to relativity
James Clerk Maxwell 1831-1879
Skotlantilainen fyysikko
Pääteos: Treatise on
Electricity and Magnetism
Thomas K. Simpson: Figures of
Thought, A Literary Appreciation
of Maxwell’s TEM (2005)
Maxwellin neronleimaus
Yhtälöistään Maxwell laski, että sähkömagneettinen aaltoliike etenee tyhjiössä nopeudella
c ≈ 300 000 km/s. Tulos oli sama kuin jo
aiemmin mitattu valon nopeus (Römer 1679).
Siis valonkin täytyy olla sähkömagneettista
aaltoliikettä.
(Vahvistus: Heinrich Hertz 1886)
Eetteriteoria
• Maxwellin dilemma: Miten sähkömagneettinen aaltoliike voi edetä tyhjässä
avaruudessa?
• Hypoteesi: Avaruus on täynnä
tuntematonta väliainetta eetteriä.
• Tämä maailmaneetteri muodostaa
samalla absoluuttisessa levossa olevan
peruskoordinaatiston, jonka suhteen
kaikki universumin kohteet liikkuvat.
Milestones on the road to relativity
Hendrik Lorentz 1853-1928
Hollantilainen fyysikko
• 1892 kontraktiohypoteesi
• 1904 aikadilataatio
• keksi melkein
suhteellisuusteorian
1905
Eetterihypoteesi oli ajautunut
ylivoimaisiin vaikeuksiin.
Fiat lux
Maestro astuu näyttämölle
Albert Einstein 1879-1955
Sveitsiläinen patenttiviraston
tutkija
1905 Einstein julkaisi viisi
artikkelia, jotka laskivat
perustan 1900-luvun
fysiikalle
Einstein annus mirabilis 1905
Maaliskuu
Über einen die Erzeugung und
Verwandlung des Lichtes
betreffenden heuristischen
Gesichtspunkt. Annalen der Physik 17
(1905): 132-148.
Valosähköisen ilmiön kvanttiteoreettinen
selitys. Fysiikan Nobel 1921.
Einstein annus mirabilis 1905
Toukokuu
Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme
geforderte Bewegung von in
ruhenden Flüssigkeiten suspendierten
Teilchen. Annalen der Physik 17
(1905): 549-560.
Brownin liike –ilmiön fysikaalinen
selitys (tiivistelmä samana vuonna
julkaistusta väitöskirjasta)
Einstein annus mirabilis 1905
Kesäkuu
Zur Elektrodynamik bewegter Körper.
Annalen der Physik 17 (1905): 891921.
Suhteellisuusteoria näkee
päivänvalon, fysiikan mannerlaatat
liikahtavat uuteen asentoon.
Einstein annus mirabilis 1905
Syyskuu
Ist die Trägheit eines Körpers von
seinem Energiegehalt abhängig?
Annalen der Physik 18 (1905): 639641.
Johtaa kuuluisan energiayhtälön:
E = mc2
Einsteinin aksioomat –
suhteellisuusteoria 1905
1. Fysiikan lait ovat samanlaisina voimassa
kaikissa inertiaalikoordinaatistoissa (Galilei).
1. Valon nopeus on sama kaikissa
inertiaalikoordinaatistoissa.
Seuraamuksia Einsteinin aksioomista
• Aika on suhteellista. Ajan dilataatio.
• Kappaleen mitat ovat suhteellisia. Pituuden
kontraktio.
Suhteellisuusteorian ”paradokseja”
• ”Kaksosparadoksi”
• ”Tunneliparadoksi”
Suhteellisuusteorian kokeellinen
testaus
•
•
•
•
Valon nopeuden mittaukset
Kellojen vertailut
Hiukkaskiihdyttimien dynamiikka
Energian ja massan ekvivalenssi
Parhaiten testattu fysiikan teoria!
Yleinen suhteellisuusteoria
• Vuoden 1907 jälkeen Einstein työskenteli
yhdistääkseen gravitaation suhteellisuusteoriaan.
• A. Einstein: Die Grundlage der allgemeine
Relativitätstheorie, Annalen der Physik, Vierte
Folge, Band 49, 1916.
• Kuvaa gravitaatiota tarkemmin kuin Newtonin
yleinen vetovoimalaki.
Kokeellisia vahvistuksia
• Valon taipuminen gravitaatiokentässä
(Eddington 1919)
• Merkuriuksen periheliliike
• GPS-paikannustekniikka
• Universumin laajeneminen
• Mustat aukot (Cygnus X-1)
• Pimeä aine ja energia
Suomalainen kontribuutio
Gunnar Nordström (1881-1923)
Suomalainen fyysikko
• opiskeli Saksassa 1906-1918 ja
kuului Einsteinin lähipiiriin
• toi s-teorian Suomeen 1909
• tutki radioaktiivisuutta ja koki
Curien kohtalon
Nordström
Gunnar Nordström lienee tunnetuin suomalainen
fyysikko.
• Kehitteli yhtä aikaa Albert Einsteinin kanssa
yleisen suhteellisuusteorian kenttäyhtälöitä.
• Ehdotti ensimmäisenä viidennen ulottuvuuden
käyttöönottamista painovoiman ja
sähkömagnetismin yhdistävän
yhtenäiskenttäteorian aikaansaamiseksi.
(Kansallisbiografia, Eva Isaksson)
Kaluza-Klein-Nordström teoria
Nordström, Gunnar (1914). "Über die Möglichkeit, das
elektromagnetische Feld und das Gravitationsfeld zu
vereinigen”. Physikalische Zeitschrift 15: 504-506.
Kaluza, Teodor (1921). ”Zum Unitätsproblem in der
Physik” Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. Berlin 1921:
966-972.
Klein, Oskar (1926). ”Quantentheorie und
fűnfdimensionale Relativitätstheorie”. Zeitschrift fűr
Physik A 37: 895-906.
Nordström
Reissner-Nordström black hole:
Sähkövarauksellinen musta aukko, jolla on
kaksi sisäkkäistä tapahtumahorisonttia, joiden
välissä aika- ja avaruuskoordinaatit vaihtavat
paikkaa.
Suomalainen kontribuutio
Eino Kaila (1890-1958)
Suomalainen filosofi, psykologi ja
monipuolinen kulttuuripersoona
• perehtyi syvällisesti
suhteellisuusteoriaan ja sen
filosofisiin seuraamuksiin
• Einstein-Minkowskin
invarianssiteoria (1958)
Pohjalainen kontribuutio
Hjalmar Mellin (1854-1933)
Suomalainen matemaatikko
• Karl Weierstrassin oppilas
Berliinissä, prof. TKK
• Kv. tunnettu
funktioteoreetikko
• Mellinin muunnos
Mellin
Hjalmar Mellinin funktioteoreettinen tutkimus
päättyi vuoden 1923 tienoilla. Elämänsä
loppuvuodet hän tutki Einsteinin
suhteellisuusteoriaa, johon hän suhtautui
kielteisesti.
Vuosien mittaan Mellinin torjuva kanta muuttui
yhä jyrkemmäksi ja sai lopulta lähes profeetallisia
piirteitä hänen pyrkiessään ennustamaan
maailmankaikkeuden kohtaloita.
(Kansallisbiografia, Olli Lehto)
Lehtiuutinen 2011 (lähde www.csc.fi)
Merkittävä suomalaishavainto: Suhteellisuusteoria
selittää suurimman osan lyijyakun jännitteestä.
Suomalais-ruotsalaisen tutkimusryhmän
kvanttikemialliset simuloinnit osoittavat, että
yleisesti autoissa käytetyn lyijyakun jännitteestä
noin 80 prosenttia selittyy raskaiden lyijy-ytimien
aiheuttamilla relativistisilla ilmiöillä akun
sähkökemiallisessa reaktiossa.
Tutkimusryhmän Physical Review Letters -lehdessä
tammikuussa julkaistu artikkeli sai huomattavan
laajaa kansainvälistä huomiota. Suomalaista
tutkimusryhmää johti professori Pekka Pyykkö (HY)
ja ruotsalaista Rajeev Ahuja Uppsalan yliopistosta.
Suhteellisuusteoria ja kirjallisuus
• Suhteellisuusteoriasta on julkaistu tuhansia
kirjoja kymmenillä kielillä, muutama
suomeksikin.
• Suhteellisuusteoria on myös inspiroinut
kaunokirjailijoita erityisesti scifi-genren piirissä
(esim. Hannu Rajaniemi: The Quantum Thief
2010, The Fractal Prince 2012, The Causal Angel
2014).
Suhteellisuusteoriaa suomeksi
1922
Gunnar Nordström: Relativiteettiteoria.
Tietosanakirja, osa 11, palstat 996-998.
Tietosanakirja Oy, Helsinki.
1922
V. J. Kallio: Einsteinin suhteellisuusteorian
periaatteet, WSOY, 62 s.
Suhteellisuusteoriaa suomeksi
1925
K. N. Rauhala: Uusi avaruusasuntomme –
kansantajuinen esitys Einsteinin
suhteellisuusteoriasta, Otava, 75 s.
1937
Hjalmar Tallqvist: Teoreettinen fysiikka I, 1.
Mekaniikka. Suhteellisuus- ja gravitaatioteoria.
Helsinki.
Suhteellisuusteoriaa suomeksi
1954
Gustaf Järnefelt: Johdatus suhteellisuusteoriaan,
Otava.
1963
Rolf Nevanlinna: Suhteellisuusteorian periaatteet,
WSOY.
Suhteellisuusteoriaa suomeksi
1968
K.V. Laurikainen: Modernin fysiikan alkeita,
WSOY.
1997
Jukka Maalampi & Tapani Perko: Lyhyt modernin
fysiikan johdatus. Limes ry, Helsinki. (4. painos
2007).
Suhteellisuusteoriaa suomeksi
2002
Richard Feynman: Suhteellisen helppoa – seitsemän lukua
fysiikkaa. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Ursa ry,
Helsinki.
2003
Albert Einstein: (1) Erityisestä ja yleisestä
suhteellisuusteoriasta yleistajuisesti, (2) Kosmologisia
tarkasteluja yleisestä suhteellisuusteoriasta, (3) Mitä on
suhteellisuusteoria? (4) Fysiikka ja todellisuus, (5)
Teoreettisen fysiikan perustukset.
Suomentanut ja kommentoinut Raimo Lehti, Ursa ry,
Helsinki, 564 s.
Suhteellisuusteoriaa suomeksi
2011
Kari Enqvist: Johdatus suhteellisuusteoriaan, Ursa
ry, Helsinki.
2014
Teuvo Laurinolli: Ensiaskeleet Einsteinin
avaruusaikaan, osa 1: Kinematiikka. 104 s.
Sähköinen kirja, joka on ladattavissa osoitteessa:
http://solmu.math.helsinki.fi/oppimateriaalit.htm
l
Kiitos huomiostanne!