Suhteellisuusperiaate
Fysiikassa suhteellisuusperiaate on vaatimus siitä, että fysiikan lakeja kuvaavat yhtälöt ovat samat kaikissa viitekehyksissä.
Kreikkalainen filosofi Aristoteles ajatteli vuonna 300 eaa., että raskaat esineet putoavat nopeammin kuin esineet, jotka eivät ole raskaita. Aristoteleen luonnontiede oli länsimaisessa ajattelussa suosituin 2000 vuoden ajan.
Vuonna 1600 italialainen tähtitieteilijä Galileo Galilei osoitti, että kaikki kappaleet putoavat samalla kiihtyvyydellä. Näin ollen mitä pidempään kappale liikkuu vakiokiihtyvyydellä, sitä nopeampi sen loppunopeus on. Lisäksi jos erilaisia esineitä, joilla kaikilla on eri massa, pudotetaan levosta (alkunopeus on nolla) samalta korkeudelta tyhjiössä, ne kaikki putoavat maahan samalla nopeudella niiden massasta riippumatta. Galileon kokeelliset löydöt ja Newtonin matemaattisesti kehittämä liikkeen laki synnyttivät modernin tieteen.
Galileon suhteellisuusperiaatteen mukaan "mekaanisin keinoin on mahdotonta sanoa, liikummeko vai pysymmekö levossa". Jos kaksi junaa liikkuu samalla nopeudella samaan suuntaan, kummassakaan junassa oleva matkustaja ei pysty huomaamaan, että jompikumpi juna liikkuu. Jos matkustaja kuitenkin ottaa kiinteän viitekehyksen, kiinteän pisteen, kuten maapallon, hän pystyy havaitsemaan jommankumman junan liikkeen. Toinen asia on se, että jos ihminen seisoo maapallon päällä, hän ei pysty havaitsemaan, että se liikkuu.
Tämä periaate on vain havainto. Jos esimerkiksi matkustamme lentokoneella vakionopeudella, voimme kulkea lentokoneen sisällä huomaamatta mitään erityistä.
Käytännön näkökulmasta tämä tarkoittaa, että Newtonin liikelait pätevät kaikissa inertiajärjestelmissä, eli niissä, jotka ovat levossa tai jotka liikkuvat vakionopeudella suhteessa levossa olevaan järjestelmään. Tämä on inertialaki: levossa oleva kappale pysyy levossa ja liikkeessä oleva kappale jatkaa suoraviivaista liikettä, ellei ulkoinen voima vaikuta siihen. Galilein koordinaatistossa inertialaki on voimassa. Galilein ja Newtonin mekaniikan lait ovat voimassa Galilein koordinaatistossa. Jos K on Galilein koordinaatisto, jokainen toinen järjestelmä K' on Galilein koordinaatisto, jos se on levossa tai liikkuu inertia-lain mukaisesti suhteessa K:hon. Galileon ja Newtonin mekaaniset lait ovat suhteessa K':hen yhtä päteviä kuin suhteessa K:hon.
Jos K' on K:n suhteen koordinaatisto, joka liikkuu inertian lain mukaan ja jossa ei ole rotaatiota, luonnonlait noudattavat K':ssa samoja yleisiä periaatteita kuin K:ssa. Tämä väite tunnetaan suhteellisuusperiaatteena.Toisin sanoen, jos massa m on levossa tai liikkuu vakiokiihtyvyydellä (vakiokiihtyvyys voi olla nolla, jolloin nopeus pysyy vakiona) suorassa linjassa Galilein koordinaatiston K suhteen, se on myös levossa tai liikkuu vakiokiihtyvyydellä suorassa linjassa toisen koordinaatiston K' suhteen edellyttäen, että inertialaki on voimassa järjestelmässä K' (toisin sanoen edellyttäen, että se on Galilein koordinaatisto).
Jos siis haluamme havaita vaikutuksen liikkuvassa järjestelmässä, jonka nopeus on vakio, voimme soveltaa suoraan Newtonin lakeja. Jos liikkuva systeemi nopeutuu (tai me nopeudumme siihen nähden, kuten katsellessamme tähtiä maasta käsin), meidän on otettava käyttöön kuvitteellisia voimia kompensoidaksemme tämän vaikutuksen.
Näitä kuvitteellisia voimia kutsutaan keskipakovoimaksi ja coriolisvoimaksi.
Newtonin liikkeen lait ovat mekaanisesti tarkkoja nopeuksille, jotka ovat hitaita verrattuna valon nopeuteen. Valon nopeutta lähestyviin nopeuksiin on sovellettava Einsteinin erityissuhteellisuusteorian löydöksiä.
Fyysikot käyttävät massaa, pituutta ja aikaa kuvaamaan maailmankaikkeuden mekaanisia tapahtumia. Galileon ja Newtonin fysiikassa nämä suureet pysyvät samoina kaikkialla maailmankaikkeudessa.
Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian myötä nämä suureet voivat muuttua.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Yleinen suhteellisuusteoria
- Erityinen suhteellisuusteoria
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mikä on suhteellisuusperiaate?
A: Suhteellisuusperiaatteen mukaan fysiikan lakeja kuvaavat yhtälöt ovat samat kaikissa viitekehyksissä.
K: Kuka ehdotti tätä periaatetta ensimmäisenä?
V: Kreikkalainen filosofi Aristoteles ehdotti tätä periaatetta ensimmäisen kerran vuonna 300 eaa.
K: Mitä Galileo Galilei todisti?
V: Galileo Galilei todisti, että kaikki kappaleet putoavat samalla kiihtyvyydellä niiden massasta riippumatta.
K: Miten Galilein löydöt synnyttivät modernin tieteen?
V: Galileon löydöt ja Newtonin matemaattisesti kehitetyt liikkeen lait synnyttivät nykyaikaisen tieteen.
K: Mitä tarkoittaa, jos kaksi junaa liikkuu samalla nopeudella samaan suuntaan?
V: Jos kaksi junaa liikkuu samalla nopeudella samaan suuntaan, kummassakaan junassa oleva matkustaja ei huomaa, että jompikumpi juna liikkuu. Jos hän kuitenkin käyttää kiinteää viitekehystä (kuten Maata), hän pystyy havaitsemaan junan liikkeen.
Kysymys: Miten Newtonin lakeja sovelletaan, kun nopeudet lähestyvät valonnopeutta?
V: Kun nopeudet lähestyvät valonnopeutta, on tarpeen soveltaa Einsteinin erityistä suhteellisuusteoriaa Newtonin liikkeen lakien sijasta, koska nämä lait pysyvät mekaanisesti oikeina vain nopeuksille, jotka ovat hitaita valonnopeuteen verrattuna.
