1. P E A T Ü K K RELATIIVSUSTEOORIA LÜHILUGU
Lugu sellest, kuidas Einstein rajas kahe 20. sajandi alusteooria – üldrelatiivsusteooria ja kvantteooria – vundamendi.
Albert Einstein™
U
N
I
V
E
R
S
U
M
P
A
Ä
H
K
L
I
K
O
O
R
E
S
LBERT EINSTEIN, nii eri- kui ka üldrelatiivsusteooria looja, sündis
1879. aastal Saksamaal Ulmis. Kuid juba järgmisel aastal kolis perekond Münchenisse, kus Alberti isa Hermann ja onu Jakob asutasid väikese elektriseadmete äri, millel polnud suuremat edu. Albert ei olnud imelaps, kuid väited, et ta kuulus koolis mahajääjate hulka, ei ole ilmselt päris õiged. 1894. aastal isa äri pankrotistus ja pere siirdus Milanosse. Vanemad otsustasid, et Albert peab jääma Münchenisse kooli lõpetama, kuid poiss ei talunud kooli autoritaarset õhkkonda ja järgnes juba mõne kuu pärast perekonnale Itaaliasse. Hiljem lõpetas ta oma haridustee Zürichis, omandades 1900. aastal sealse maineka tehnikaülikooli diplomi. Vaidlushimu ja autoriteedipõlguse tõttu professorid teda ei soosinud ja pärast lõpetamist ei pakkunud ükski neist talle assistendikohta, millega harilikult algab akadeemiline karjäär. Kahe aasta pärast õnnestus tal saada Bernis Šveitsi patendiametis nooremeksperdi koht. Just selles ametis olles kirjutas ta 1905. aastal kolm artiklit, mis ühelt poolt tõid ta maailma juhtteadlaste hulka ja teiselt poolt vallandasid teaduse alustes kaks revolutsiooni. Need olid pöörakud, mis muutsid meie arusaamist ajast, ruumist ja kogu tegelikkusest. 19. sajandi lõpuks oli teadlastel kujunemas arvamus, et nad on Universumi täielikule kirjeldamisele väga lähedal. Nad kujutlesid, et ilmaruum on täidetud pideva ollusega, mida nad kutsusid eetriks. Valguskiiri ja raadiosignaale peeti eetrilaineteks, nii nagu heli on õhus levivad rõhulained. Täieliku teooria saamiseks olid veel vajaka vaid eetri elastsusomaduste täppismõõtmised. Tagamaks selliste mõõtmiste edu, ehitati Harvardi ülikooli Jeffersoni laboratoorium ainsagi raudnaelata, et mitte häirida magnetilisi peenmõõtmisi. Paraku unustasid projekteerijad, et punakaspruunid tellised, millest laoti nii labori seinad kui ka enamik teiste Harvardi hoonete seintest, sisaldavad hulgi rauda. Laboratooriumiruume kasutatakse tänapäevani, nüüd raamatukoguna, kuigi ülikooli juhtkonnal pole täit selgust, kui rasket raamatulasu raudnaelteta põrand suudab kanda.
4
R
E
L
A
T
I
I
V
S
U
S
T
E
O
O
R
I
A
L
Ü
H
I
L
U
G
U
Albert Einstein™
Albert Einstein 1920. aastal 5
U
N
I
V
E
R
S
U
M
P
Ä
H
K
L
I
K
O
O
R
a
E
S
b
Valgus levib läbi eetri.
Sajandivahetuseks hakkasid kujutluses, et kõikjal on eeter, ilmnema mõrad. Oletati, et valgus levib eetris jääva kiirusega, Kui valgus oleks eetriks kutsutavas kusjuures siis, kui liikuda eetris valgusega samas suunas, peaks elastses aines leviv lainetus, peaks valvalguse kiirus näima väiksemana, kui vastassuunas, siis suuremana guse kiirus näima valgusele vastu kihutavale astronaudile (a) suurem ja (joon 1.1). valgusega samas suunas kihutavale Kuid üksjagu katseid ei toetanud seda mõttekäiku. Äärmiselt astronaudile (b) väiksem. hoolikalt läbi mõeldud ja väga täpse katse sooritasid 1887. aastal Ohios Clevelandis Albert Michelson ja Edward Morley. Nad võrdlesid valguse kiirust kahes teineteise suhtes täisnurgi suunatud JOON 1.2 (vastasleheküljel) Maa orbitaalliikumise suunas ja sellega valguskimbus. Et Maa pöörleb ümber oma telje ja tiirleb orbiidil ristsuunas leviva valguse kiiruse vahel ümber Päikese, peaks mõõteseade läbima eetrit muutuva kiiruse ei leitud mingit erinevust. ja suunaga (joon 1.2). Paraku ei leidnud Michelson ja Morley kahe valguskimbu levis ei ööpäevaseid ega aastasi erinevusi. Näis, nagu leviks valgus vaatleja suhtes alati ühesuguse kiirusega, hoolimata vähimatki sellest, kui kiiresti ja mis suunas vaatleja ise liigub (joon 1.3, lk 8). Lähtudes Michelsoni ja Morley katse tulemustest, väitsid iiri füüsik George FitzGerald ja hollandi füüsik Hendrik Lorentz, et eetrit läbides tõmbuvad kehad liikumise suunas kokku ja kellade käik aeglustub. See kokkutõmme ja kellade käigu aeglustumine on sellised, et kõik vaatlejad saavad valguse kiirust mõõtes ühesuguse tulemuse, hoolimata sellest, kuidas nad eetri suhtes liiguvad. (FitzGerald ja Lorentz ei kahelnud veel kumbki eetri reaalsuses.) Seevastu jõudis Einstein 1905. aasta juunis kirjutatud JOON 1.1 (ülal)
P AIGALSEISVA
6
EETRI TEOORIA
R
E
L
A
T
I
Maa pöörleb läänest itta.
I
V
S
U
S
T
E
O
O
R
I
Valgus levib Maa tiirlemise suunas ja sellega risti.
A
L
Ü
H
I
L
U
G
U
Ka Maa pöörlemise suunas ja sellega risti levivate valguskiirte kiirused ei erine.
7
U
J OON 1.3
N
I
V
E
R
S
U
M
P
Ä
H
K
I
K
O
O
R
E
S
VALGUSE KIIRUSE MÕÕTMINE
Michelsoni-Morley interferomeetris lõhestatakse valgusallikast tulev valguskiir poolläbipaistva peegli abil kaheks. Kaks kiirt levivad teineteise suhtes täisnurgi ja juhitakse siis poolläbipaistva peegli abil taas kokku. Kui valgus leviks ristsuundades erineva kiirusega, peaks ühe kiire laineharjad ühtima teise nõgudega ja laine peaks vaibuma.
Paremal on 1887. aastal ajakirjas „Scientific American” ilmunud katseskeem.
8
L
a
R
E
L
A
T
I
I
V
S
U
S
T
E
O
O
R
I
A
L
Ü
H
I
L
U
G
U
Läände lendavas lennukis näitab kell pikemat lennuaega kui täpselt samasugune kell vastassuunas lendavas lennukis.
Lennuk lendab idast läände.
Ida suunas lendavas lennukis kulub aeg reisijail kiiremini kui lääne suunas lendavas lennukis. Lennuk lendab läänest itta.
artiklis järeldusele, et kui pole võimalik kindlaks teha, kas ilmaruumis liigutakse või püsitakse paigal, muutub eetri mõiste üldse ülearuseks. Ta lähtus postulaadist, et kõik vabalt liikuvad vaatlejad täheldavad loodusseadusi täpselt ühesugusel kujul. Kõikide vaatlejate mõõtmised annavad ühesuguse valguse kiiruse, hoolimata sellest, kui kiiresti nad liiguvad. Valguse kiirus ei sõltu vaatlejate liikumisest ja on kõikides suundades võrdne. Selline väide nõudis loobumist mõttest, et on olemas universaalne suurus, mida nimetatakse ajaks ja mida peaksid ühtmoodi mõõtma kõik kellad. Selle asemel on igaühel oma isiklik aeg – omaaeg. Kahe isiku aeg langeb kokku ainult siis, kui nad on teineteise suhtes liikumatud, kuid erineb, kui nad liiguvad. Seda väidet on kinnitanud arvukad katsed, sealhulgas selline, kus kaht ülitäpset kella veeti ümber maakera vastassuunas lendavate lennukitega. Taaskohtumisel näitasid kellad erinevat aega, olgugi et erinevus oli üliväike (joon 1.4). Sellest võiks järeldada, et kui keegi soovib elada kauem, peaks ta kogu aeg lendama itta, nii et lennuki kiirus liitub Maa pöörlemiskiirusega. Paraku, eluea pikenemine – sekundi tühine murdosa – raisataks sootumaks lennukieinetele ning aktiivne eluiga ei pikeneks.
JOON 1.4 Kaksikute paradoksi (joon 1.5, lk 10) üht varianti prooviti järele, lennutades kaht täppiskella vastassuunas ümber maakera. Kellade taaskohtumisel näitas ida suunas lennutatud kell pisut vähem.
9