Milloin Einstein julkaisi ns. erityisen suhteellisuusteoriansa?
Erityinen suhteellisuusteoria
Suppea suhteellisuusteoria eli erityinen suhteellisuusteoria tai erikoinen suhteellisuusteoria on fysiikassa yleisesti hyväksytty ja kokeellisesti hyvin tuettu tieteellinen teoria, jonka Albert Einstein julkaisi 1905. Se korvasi newtonilaisen eli klassisen mekaniikan käsityksen muuttumattomasta avaruudesta ja ajasta näiden yhtymäksi, aika-avaruudeksi, ja sisällytti itseensä sähkömagnetismin teorian, kuten Maxwellin yhtälöissä on esitetty.
Aristoteleen painovoimateoria
Albert Einstein puolestaan syrjäytti Newtonin teorian vuonna 1915 kehittäen kokonaan uuden mallin painovoiman toiminnalle suhteellisuusteoriaansa nojaten. Erityinen suhteellisuusteoria
Tämä on suppean suhteellisuusteorian ensimmäinen postulaatti, joka kieltää eetterin olemassaolon. Postulaatista on johdettu koko suppea suhteellisuusteoria, myös sen toinen postulaatti. Väittämä vaikuttaa ongelmattomalta, mutta ei ole. Jos Maxwellin sähkömagnetismin teorian yhtälöitä pidetään fysiikan lakeina, kuten ne kokeiden mukaan tuolloin ja nyt näyttävät olevan, myös niiden tulisi päteä inertiaalikoordinaatistoissa. Einsteinin suhteellisuusperiaatteesta voidaan johtaa kolmivaiheinen johtopäätös:Päätelmistä kolmas on suppean suhteellisuusteorian toinen postulaatti. Karl Schwarzschild
Karl Schwarzschild (9. lokakuuta 1873 – 11. toukokuuta 1916) oli saksalainen matemaatikko, fyysikko ja tähtitieteilijä. Hänet tunnetaan parhaiten työstään yleisen suhteellisuusteorian ja astrofysiikan parissa. Hän ratkaisi ensimmäisenä Einsteinin yhtälöiden tarkat ratkaisut vain muutama viikko sen jälkeen kun Einstein oli julkaissut ne. Schwarzschildin laskut ennustivat mustien aukkojen olemassaolon. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_38 Albert Einstein
Harvardin lääketieteellisen tiedekunnan professori Erik H. Erikson havaitsi 1980-luvulla, että Einsteinin hidas kielellinen kehitys, haluttomuus olla tekemisissä muiden lasten kanssa sekä ennen kouluikää ilmenneet ajoittaiset raivokohtaukset antoivat aihetta epäillä niin sanottua lapsuuden laaja-alaista kehityshäiriötä eli autismin kirjon häiriötä. Myös maailman tunnetuimpiin autismitutkijoihin kuuluva Cambridgen yliopiston kehityspsykopatologian professori Simon Baron-Cohen on havainnut, että Einsteinin kohdalla täyttyivät monet autismin kirjoon kuuluvan Aspergerin oireyhtymän tunnuspiirteet. Einstein oppi puhumaan vasta kolme vuotta täytettyään. Magnetismi
Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria, osoitti, miten sähkö ja magnetismi liittyvät perustavalla tavavalla toisiinsa. Teorian mukaisista ilmiöistä kuten pituuskontraktiosta, aikadilaatiosta ja siitä, että magneettinen voima riippuu nopeudesta, seuraa, että suhteellisuusteorian mukaan voisikaan olla magnetismia ilman sähköä tai sähköä ilman magnetismia. Sitä vastoin sähkömagnetismin teoria, johon molemmat oleellisesti kuuluvat, on täysin yhteensopiva erityisen suhteellisuusteorian kanssa. Erityisesti sama ilmiö, joka yhden havaitsijan näkökulmasta näyttää puhtaasti sähköiseltä tai puhtaasti magneettiseltä, voi toisen havaitsijan näkökulmasta olla molempien yhdistelmä. Sähkö- ja magneettikenttä eivät olekaan toisistaan riippumattomia, vaan ne yhdessä muodostavat sähkömagneettisen kentän. Miten se jakautuu sähkö- ja magneettikentäksi, riippuu havaitsijan liiketilasta ja käytetystä koordinaatistosta tavalla, jonka osoittaa sähkömagneettisen kentän Lorentz-muunnos. Albert Einstein
Yhdistyneet kansakunnat julisti vuoden 2005 fysiikan vuodeksi, koska Albert Einsteinin suppea suhteellisuusteoria täytti sata vuotta. Juhlavuonna kunnioitettiin erityisesti Albert Einsteinia ja hänen saavutuksiaan. Kansainvälinen fysiikan vuosi
26. syyskuuta 1905 julkaistu kolmas artikkeli esittelee sähkömagnetismin kanssa yhteensopivan teorian ajasta, matkasta, massasta ja energiasta, mutta ei selvitä vielä gravitaation yhteyttä. Suppea suhteellisuusteoria postuloi valon nopeuden havaitsijan liikkeestä riippumattoman absoluuttisuuden. Tämä selvittää Michelsonin-Morleyn kokeen tuloksen, jossa vastakkaisiin suuntiin liikkuville valonsäteille ei pystytty mittaamaan nopeuseroa. Jotta valon nopeus saatiin absoluuttiseksi, Einsteinin piti muuttaa aikakäsitystä: suppean suhteellisuusteorian mukaan ajan kuluminen riippuu siitä, millä nopeudella havainnoitsija liikkuu. Painovoima
Isaac Newton esitti painovoiman perus­lain vuonna 1687 julkaisemassaan teoksessa "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" (usein lyhyesti "Principia"). Sen mukaan maailmankaikkeuden jokainen massallinen hiukkanen aiheuttaa toiseen massalliseen hiukkaseen voiman, joka on suoraan verrannollinen niiden massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Tämä voima voidaan esittää yhtälöllä Kansainvälinen fysiikan vuosi
Kansainvälinen fysiikan vuosi oli Yhdistyneiden kansakuntien tunnustama kansainvälinen fysiikan juhlavuosi, jota vietettiin vuonna 2005 Albert Einsteinin sata vuotta aiemman ”annus mirabilisin” kunniaksi. Vuonna 1905 Einstein julkaisi kolme fysiikan kehitykselle merkityksellistä tutkimusta kolmesta täysin eri aiheesta. Tutkimukset muun muassa loivat pohjaa kvanttifysiikalle, todistivat lopullisesti atomien olemassaolon ja ennakoivat maailman todennäköisesti kuuluisinta fysiikan kaavaa, E=mc². Fallibilismi
Popper siis katsoi, ettei minkään teorian totuudenmukaisuutta ei loppujen lopuksi voida täysin todistaa: teorioita voidaan ainoastaan kumota, ja niihin voidaan uskoa "parhaana tämänhetkisenä tietona". Täten tulisi luottaa ainoastaan teorioihin, jotka ovat ainakin periaatteessa kumottavissa. Popper viehtyi ajatukseen kuultuaan paikallisessa yliopistossa Albert Einsteinin luennon, jossa Einstein esitteli keksimäänsä suhteellisuusteoriaa ja kertoi olevansa valmis hylkäämään sen, jos joku löytäisi ristiriitaisia todisteita. Tieteen historia
Tieteen uuden ajan on katsottu alkavan vuodesta 1687, jolloin Isaac Newton julkaisi teoksensa "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", luonnonfilosofian matemaattiset perusteet. Hän loi keinon tuottaa ennustettavia luonnontieteellisiä tuloksia. Newton muistetaan myös painovoimalain muotoilemisesta ja hän kehitti — riippumattomasti saksalaisen Leibnizin kanssa — uuden matematiikan lajin: analyysin, eli differentiaali- ja integraalilaskennan. Tieteelle lisävauhtia antoivat Gutenbergin kirjapainotekniikassa 1400-luvulla tekemät läpimurrot, jotka mahdollistivat tiedon nopean ja halvan levittämisen laajalti, ja toisaalta ajattelun vapautuminen valistuksen aikana (1700-luvulla). Erityinen suhteellisuusteoria
formula_12 Erityinen suhteellisuusteoria
Ennen 1800-luvun loppua ei onnistuttu tarkimmillakaan laitteilla mittaamaan valon ja liikkeessä olevan kappaleen välillä olevaa pientä eroa, jolla eetteriteoria voitaisiin todistaa. 1881 keksittiin käyttää interferometriä ja Maan nopeaa liikettä niin sanotun eetterituulen havaitsemiseksi, joka muodostuisi Maan ja muun aurinkokunnan liikkuessa maailmankaikkeuden sisältämän eetterin halki. Koe tunnetaan Michelsonin–Morleyn kokeena, ja sillä olisi havaittu pienikin ero eetterin ja Maan liikkeen välillä. Tässä kokeessa eikä muissakaan kokeissa kuitenkaan havaittu eetteriä, joten ei voitu määrittää missä sen koordinaatisto oli. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_34 Erityinen suhteellisuusteoria
formula_25 Tähtitieteen historia
Vuonna 1859 Gustav Kirchhoff huomasi, että tähtien spektreissä olevat kapeat tummat viivat ovat seurausta siitä, että tietyt alkuaineet ovat absorboineet itseensä kyseisen kaistaleen valon aallonpituusalueesta. Vuosisadan lopulla spektrianalyysi ja tähtivalokuvaus kehittyivät voimakkaasti. Valokuvauksen avulla kyettiin havainnoimaan paljon himmeämpiä kohteita, kuin mitä oli paljain silmin mahdollista nähdä kaukoputken okulaarin kautta. Vuonna 1910 havaittiin kaukaisten galaksien (joita vielä silloin luultiin pelkiksi tähtisumuiksi) suuri punasiirtymä, ja Edwin Hubble osoitti vuonna 1923, että Andromedan galaksi on Linnunradan ulkopuolinen kohde. Albert Einsteinin vuosina 1907–1915 kehittämä yleinen suhteellisuusteoria muutti voimakkaasti käsitystä maailmankaikkeudesta. Suhteellisuusteoria selitti ilmiöitä, joita Newtonin lait eivät kyenneet selittämään – muun muassa Merkuriuksen liikerata selittyi vasta suhteellisuusteorian avulla. 1960-luvulla löydettiin muun muassa kvasaarit, pulsarit ja kosminen taustasäteily. Tekniikan kehittyessä 1900-luvulla tähtitiede on kokenut valtavia edistysaskeleita lyhyessä ajassa, ja uusia löytöjä tehdään jatkuvasti avaruusluotainten, modernien teleskooppien sekä tietokoneiden avulla. Newtonin menetelmä
Newtonin menetelmän julkaisi ensimmäisenä John Wallis vuonna 1685 teoksessa "A Treatise of Algebra both Historical and Practical". Joseph Raphson julkaisi yksinkertaistetun kuvauksen menetelmästä vuonna 1690 teoksessa "Analysis aequationum universalis". Myös hän piti menetelmän puhtaasti algebrallisena rajoittaen sen käytön polynomeihin, mutta otti käyttöön peräkkäiset approksimaatiot likiarvoille "x". Ensimmäisenä Newtonin menetelmän kuvasi iteratiivisessa muodossa Thomas Simpson vuonna 1740. Einstein (suku)
Suvun ylivoimaisesti tunnetuin jäsen on saksalais-yhdysvaltalainen teoreettinen fyysikko Albert Einstein. Einstein tuli tunnetuksi koko fysiikan mullistavilla teorioilla. Tunnetuimmat teoriat ovat suppea- ja yleinen suhteellisuusteoria sekä valosähköisen ilmiön selittäminen. Einstein oli naimisissa kaksi kertaa. Ensimmäinen vaimo oli serbialainen Mileva Marić, jonka kanssa hän sai kolme lasta. Suhde Marićin kanssa päättyi vuonna 1919 ja hän meni uusiin naimisiin serkkunsa Elsa Löwenthalin kanssa. Albert Einstein
Suppean suhteellisuusteorian perusperiaatteet ovat: Albert Einstein
Max Planck keskittyi ongelmaan vuodesta 1894 lähtien. Hänen mukaansa kaiken takana oli jotakin absoluuttista. Heinrich Rubens ja Ferdinand Kurlbaum keksivät niin sanotun jäännössäteilymenetelmän, joka antoi aivan omaa luokkaansa olevia tuloksia infrapunasäteilystä korkeissa lämpötiloissa. Rubens vieraili vaimonsa kanssa Planckien luona 7. lokakuuta 1900. Rubens kertoi saamistaan mittaustuloksista Planckille, joka oli oletettavasti innoissaan asiasta, koska vieraiden lähdettyä hän alkoi luoda teoriaa ja keksi samana iltana säteilykaavan. Seuraavina viikkoina hän pohti kaavan teoreettista tulkintaa. Planck esitteli 14. joulukuuta 1900 tulkintansa, jonka mukaan lämpövärähtelyjen energia koostuu täsmälleen yhtä suurista paketeista. Planck ja muut tuon ajan fyysikot pyrkivät yhtenäistämään Planckin tulkintaa klassisesta fysiikasta. Fyysikot eivät kyseenalaistaneet valon aaltoluonnetta, toisin kuin Albert Einstein. E=mc²
Yhtälö esiintyy hiukan erilaisessa muodossa Einsteinin vuonna 1905 kirjoittamassa artikkelissa "Riippuuko kappaleen hitaus sen energiasta?" () Artikkeli julkaistiin "Annalen der Physik" -aikakauskirjan numerossa 13. Arthur Eddington
Eddingtonin havainnot julkaistiin seuraavana vuonna. Se vahvisti Einsteinin teorian, ja sitä pidettiin tuohon aikaan ratkaisevana todisteena yleisen suhteellisuusteorian puolesta Newtonin mallia vastaan. Tieto julkaistiin sanomalehdissä kaikkialla maailmassa etusivun uutisena. Myöhemmin Eddington ryhtyi toimiin kansantajuistaakseen suhteellisuusteorian ja korostaakseen retkikunnan merkitystä sekä tieteellisenä edistysaskelena että kansainvälisten tieteellisten yhteyksien kannalta. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_5 Perusvuorovaikutus
Eri perusvuorovaikutusten ajatellaan vaikuttavan eri etäisyyksillä, ja ne ovat alun perin olleet selitysmalleja eri fysikaalisiin ilmiöihin, joita ei siihen mennessä olleilla teorioilla ole kyetty selittämään. Gravitaation perussäännöt (joita Einstein myöhemmin tarkensi) keksittiin 1600-luvulla (Galilei, Newton). Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen säännöt osoittivat 1800-luvun fyysikot (pääasiassa Maxwell), heikon vuorovaikutuksen ovat löytäneet 1920-luvun alun, radioaktiivisuuden selittäneet, fyysikot (muun muassa Heisenberg ja Paul Dirac), ja vahvan vuorovaikutuksen teoriat on kehitetty selittämään hiukkaskiihdyttimissä havaittuja ilmiöitä. 1970-luvulla kolme näistä saatiin yhdistettyä nykyiseksi standardimalliksi. Mauri Valtonen
Valtonen valmistui filosofian tohtoriksi Cambridgen yliopistosta vuonna 1975. Hän toimi Tuorlan observatorion johtajana vuodesta 1980 vuoteen 2002. Valtonen palasi observatorion johtajaksi jälleen vuonna 2007. Tutkimuksessaan Mauri Valtonen on keskittynyt mm. gravitaatiofysiikkaan, ratojen laskentaan ja radioastronomiaan. Vuonna 2008 Valtosen johtama tutkimusryhmä vahvisti Albert Einsteinin kehittämän yleisen suhteellisuusteorian. Aiemmin teoria on kyetty vahvistamaan suhteellisen heikoissa painovoimakentissä, mutta Valtonen tutkimusryhmineen havaitsivat OJ 287 -kvasaarin kaksoismusta-aukkojärjestelmän prekressoivan täsmälleen yleisen suhteellisuusteorian ennustamalla tavalla. Samalla Valtosen tutkimusryhmä varmisti mustien aukkojen olemassaolon. Albert Einstein
Teorian lopputulokset poikkeavat täysin klassisesta fysiikasta. Suhteellisuusteorian seurauksia ovat esimerkiksi: Albert Einstein
Einstein valittiin 23. kesäkuuta 1902 virkaan vuosipalkalla. Einstein piti kahdeksantuntista työpäivää puuduttavana ja raskaana, sillä hän antoi päivittäin yksityisopetusta ja teki myös aktiivisesti työtä fysiikan parissa. Tuolloin hän syventyi erityisesti termodynamiikkaan. Patenttivirkailijan mieli kuitenkin muuttui, ja hän alkoi pitää työtään uusia ajatuksia herättävänä ja virikkeitä fysiikan tutkimukseen antavana. Einstein kävi patentteja läpi vielä sittenkin, kun ei enää ollut patenttiviraston palveluksessa. Myöhempinä vuosinaan hän toimi eräänlaisena asiantuntijana patenttiriidoissa. Ajan ja avaruuden filosofia
Albert Einstein esitti, että fysiikan lakien tulee olla samat kaikille havaitsijoille riippumatta käytetystä viitekehyksestä, koordinaatistosta. Suurin ongelma tälle ajatukselle tuli Maxwellin yhtälöistä. Niistä seurasi, että valonnopeus tyhjiössä on vakio. Tämä oli myöhemmin Einsteinin suhteellisuusteorian peruspostulaatteja. Erityinen suhteellisuusteoria
Suppeasta suhteellisuusteoriasta seuraa myös massan ja energian välisen yhteyden osoittava kuuluisa yhtälö E=mc². Tämä julkaistiin ensimmäisen kerran vuoden 1905 lopulla Annalen der Physikin numerossa 18 Einsteinin kirjoittamassa lyhyessä artikkelissa "Riippuuko kappaleen hitaus sen energiasta?" (). Isaac Newton
Newton kehitti systemaattisten sarjojen teoriaa, joka liittyi muun muassa John Wallisin ja William Brounckerin töihin. Vuonna 1669 valmistunut kirjoitus "De analysi per aequationes numero terminorum infinitas" julkaistiin vasta vuonna 1711. Kirjoituksessa esiintyy äärettömien sarjojen teoria ensimmäisen kerran itsenäisenä osa-alueena, jolla on omat menetelmänsä. Toinen Newtonin matemaattinen kirjoitus oli "De methodis serierum et fluxionum", joka julkaistiin Newtonin kuoleman jälkeen vuonna 1736 englanninkielisenä käännöksenä "On the Methods of Series and Fluxions". Albert Einstein
Myöhemmin Einstein lisäsi yleiseen suhteellisuusteoriaan niin sanotun kosmologisen vakion. Suhteellisuusteorian mukaan näytti siltä, että avaruus joko laajenee tai romahtaa. Einstein joutui kehittelemään jotakin, joka pitäisi maailmankaikkeuden vakaana ja kehitti kosmologisen vakion. Myöhemmin Einstein sanoi tämän olleen hänen ”suurin munauksensa”. Kosmologinen vakio voi kuitenkin olla perusteltu hypoteesi. 1990-luvulla tehdyt havainnot supernovista osoittavat, että maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella. Tämä voidaan selittää kosmologisen vakion arvolla, joka on hieman nollasta poikkeava. Aikamatkustus
Vuonna 1949 itävaltalainen matemaatikko Kurt Gödel ”löysi” uudentyyppisen aika-avaruuden, joka antoi ensimmäisiä viitteitä fysiikan lakien mahdollisesta aikamatkustuksen sallimisesta. Gödelin teoreettisessa kaikkeudessa oli erikoisena piirteenä tämän kaikkeuden pyöriminen. Siinä saattoi yleisen suhteellisuusteoriankin mukaan lähteä aikamatkalle ja palata ennen lähtöään, vaikka suhteellisuusteorian kehittäjä Albert Einstein oli itse sitä mieltä, etteivät hänen teoriansa sallineet aikamatkustuksen mahdollisuutta. Gödelin laskelmat eivät kuitenkaan mahdollista aikamatkailua siinä kaikkeudessa, jossa me elämme, sillä tutkijat ovat todistaneet, ettei kaikkeus pyöri. Lisäksi Gödel oletti laskuissaan, että Einsteinin kosmologisella vakiolla olisi nollasta poikkeava arvo, mistä kaikki tutkijat eivät ole nykyaikana yksimielisiä. Einsteinin kenttäyhtälöt
ilman, että se vaikuttaa energian säilymislakiin. Itse asiassa Einstein teki näin havaittuaan, että kenttäyhtälöillä ei ollut staattista ratkaisua, vaan maailmankaikkeuden pitäisi joko laajentua tai supistua. Kosmologisella vakiolla aikaansaatu staattinen ratkaisu ei kuitenkaan ole stabiili. Maailmankaikkeuden laajeneminenhan havaittiin vasta hiukan myöhemmin. Skalaarikerrointa Λ, jolla on mahdollista säätää ratkaisun käyttäytymistä tällä tavoin, kutsutaan "kosmologiseksi vakioksi". Kosmologian keskeisiä ongelmia on, ettei suhteellisuusteoria anna kosmologiselle vakiolle minkäänlaista teoreettista arvoa, vaan se on määrättävä puhtaasti havaintojen perusteella. Einstein-torni
Einstein-torni () on arkkitehti Erich Mendelsohnin suunnittelema astrofysikaalinen observatorio Albert Einstein -tiedepuistossa Potsdamissa, Saksassa. Se rakennettiin tähtitieteilijä Erwin Finlay Freundlichille ja sitä on käytetty keräämään havaintoaineistoa Albert Einsteinin kehittämän suhteellisuusteorian tueksi. Rakennus suunniteltiin noin 1917 ja rakennettiin vuosien 1920 ja 1921 välillä julkisten lahjoitusten avulla. Toiminta käynnistyi vuonna 1924. Observatorio on yhä toimiva ja osa Potsdamin astrofysiikan instituuttia. Kaukovaikutus
Albert Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan valonnopeus on suurin nopeus, jolla mikään informaatio voi levitä. Välitön, samanaikainen kaukovaikutus ei tämän vuoksi ole mahdollista. Muussa tapauksessa jos jokin kappale äkillisesti siirrettäisiin pois paikoiltaan, toinen kappale kokosi sen vaikutuksen välittömästi, mikä merkitsisi informaation kulkemista valoa nopeammin. Valosähköinen ilmiö
Asia voitiin selittää vasta kvanttiteorian avulla, ja ilmiö onkin tärkeä osoitus valon hiukkas­luonteesta ja aalto-hiukkasdualismista. Tämän osoitti Albert Einstein vuonna 1905. Einstein sovelsi selityksessään Max Planckin kehittämää kvanttiteoriaa. Planck oli todennut, että lämpösäteily lähtee määräsuuruisina kvantteina ja että tällaisen kvantin energia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen, mutta Einstein osoitti, että tämä säteilyn kvanttiluonne säilyy sen lähtemisen jälkeenkin ja että se myös absorboituu samansuuruisina kvantteina. Valosähköisessä ilmiössä energia välittyy yhden kvantin, fotonin kokoisina annoksina yksittäiselle elektronille. Elektroni ei siis voi kerätä irtoamiseen tarvitsemaansa energiaa useilta fotoneilta, vaan sen on saatava se yhtenä pakettina. Voidaan ajatella, että fotonit antavat elektroneille tietynsuuruisia iskuja: jos elektroni ei irtoa yhdellä iskulla, se ei irtoa lainkaan, vaikka sitä kuinka pommitettaisiin. Lorentz-muunnos
Lorentz-muunnoksella (tai Lorentzin muunnoksella) tarkoitetaan koordinaattijärjestelmän muunnosta, jonka Hendrik Antoon Lorentz keksi yrittäessään selittää valon käyttäytymistä esimerkiksi Michelsonin-Morleyn kokeessa. Myöhemmin Albert Einstein muotoili erityisen suhteellisuusteorian, ja korvasi siinä klassisen mekaniikan Galilein muunnoksen Lorentz-muunnoksella. Gunnar Nordström
Vaikka Einsteinin teoria painovoimasta oli parempi, Nordström ei ollut katkera Einsteinille. Päinvastoin Nordström puhui Einsteinista ihannoiden. Nordström oli ehdottamassa vuosina 1920 ja 1922 Einsteinille Nobelin fysiikanpalkintoa. Jälkimmäisenä vuonna Albert Einstein sai Nobelin fysiikanpalkinnon, mutta ei Nordströmin ehdottamasta syystä. Nordström perusteli Einsteinin nobelia siten, että ”tämä jälkimmäinen teoria, ja siten myös edellinen, on menneenä vuonna loistavalla tavalla saanut vahvistusta niistä havainnoista, joita tehtiin täydellisen auringon­pimennyksen aikaan vuonna 1919”. Absoluuttinen aika ja avaruus
Eräissä myöhemmissä artikkeleissaan (erityisesti vuosina 1920 ja 1924) Einstein antoi eetterille uuden määritelmän samastamalla sen "avaruuden ominaisuuksien" kanssa, ja tätä eetteriä voidaan hänen mukaansa sanoa absoluuttisesti niin kauan kuin aine ei vaikuta sen tilaan. Täten hän väitti, että Newtonin absoluuttinen avaruus voidaan katsoa "absoluuttiseksi eetteriksi", ja että myös suppean suhteellisuus­teorian neli­ulotteinen aika-avaruus on eräänlainen "absoluuttinen eetteri", koska senkään tilaan ei aine vaikuta. Sen sijaan hän sanoi, että yleisessä suhteellisuus­teoriassa "eetteri" ei enää ole absoluuttinen, koska gravitaatiokenttä ja sen mukaisesti aika-avaruuden rakenne riippuu aineen läsnäolosta. On kuitenkin todettava, että tiede­yhteisö ei hyväksynyt tätä Einsteinin termino­logiaa, jossa "eetterillä" tarkoitettiin avaruuden ominaisuuksia. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_24 Albert Einstein
Einstein valmistautui kesälomalla yhdessä tyttöystävänsä Mileva Marićin kanssa pian koittaviin vuoden 1900 diplomitöihin. Einstein käsitteli työssään lämmön johtumista. Hän kuvaili myöhemmin, ettei koko aihe kiinnostanut häntä ollenkaan. Einstein sai arvostelussa pisteiksi 4,5. Elämäkerturi Albrecht Fölsingin mukaan Einstein luotti diplomityön jättämisen jälkeen suorittamassaan lopputentissä ehkä liiaksi Grossmannin muistiinpanoihin, sillä hän ei yltänyt entiseen tasoon. Erilaisten painotusten jälkeen Einsteinin keskiarvo oli 4,91, ja hän sai diplomin. Bosen–Einsteinin statistiikka
Bosen–Einsteinin jakauman johti ensimmäisenä fotoneille Satyendra Nath Bose vuonna 1920, ja sen yleisti atomeille Albert Einstein vuonna 1924. Erityinen suhteellisuusteoria
Eetteriä ei siis vaikuttanut olevan, mutta muun tuon ajan fysiikkaan yhteensopimattomasta sähkömagnetismista sen sijaan oli todisteita. Tämä oli ongelmallista koska sähkömagnetismin avulla kuvattuna valo on sähkömagneettinen aalto, joka ylläpitää itseään vaihtelevasti muuttuvan sähkökentän ja magneettikentän avulla. Jos joku liikkuisi tyhjiön valonnopeudella valon mukana, ei hän havaitsisi kenttien muuttuvan ja siten valon ei myöskään pitäisi pystyä ylläpitämään itseään ilman eetteriä. Tämä johti Einsteinin tekemään suhteellisuusperiaatteeksi kutsutun johtopäätöksen, jonka mukaan Karl Schwarzschild
Schwarzschild liittyi Saksan armeijaan vapaaehtoisena ensimmäisen maailmansodan syttyessä. Schwarzschild palveli sekä itärintamalla että länsirintamalla ja hänet ylennettiin tykistön luutnantiksi. Venäjällä palvellessaan vuonna 1915 hän kirjoitti yhteensä kolme tieteellistä artikkelia. Kaksi niistä käsitteli suhteellisuusteoriaa ja niissä hän ratkaisi Einsteinin kenttäyhtälöt yksittäisen massapisteen tapauksessa ja johti arvon mustan aukon säteelle, joka tunnetaan Schwarzschildin säteenä. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_24 Wolfgang Pauli
Pauli oli jo nuorena hyvin lahjakas matemaattisesti. Hän opiskeli lukioaikana itsenäisesti suhteellisuusteoriaa ja kirjoitti siitä 18-vuotiaana ensimmäisen tutkielmansa. Münchenin yliopistossa Pauli opiskeli fysiikkaa. Hän tutki muun muassa Arnold Sommerfeldin alaisuudessa Bohrin–Sommerfeldin atomiteoriaa. Sommerfeld oli Paulin väitöskirjatyön ohjaaja. Hän väitteli tohtoriksi 1921 teoreettisesta fysiikasta. Sommerfeldin ehdotuksesta hän kirjoitti myös artikkelin suhteellisuusteoriasta matemaattisten aineiden tietosanakirjaan "Encyklopädie der mathematischen Wissenschafteniin". Artikkelista Pauli sai ylistystä Albert Einsteinilta. Albert Einstein
30. huhtikuuta 1905 Einstein sai valmiiksi väitöskirjansa Zürichin teknillisellä yliopistolla. Kaukovaikutus
Ongelman ratkaisi Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, jonka mukaan gravitaatio­vuoro­vaikutuksen välittää aika-avaruuden geometrian muuntuminen. Aine vääntää aika-avaruuden geometriaa, ja sähkö- ja magneetti­kenttien tavoin nämäkin ilmiöt etenevät valon­nopeudella. Tämän vuoksi aineen läsnä ollessa aika-avaruus tulee epä­euklidiseksi, mikä ratkaisee näennäisen risti­riidan Newtonin todistaman impulssi­momentin säilymis­lain ja Einsteinin suppeamman suhteellisuus­teorian välillä. Machin kysymys pyörivien kappaleiden pullistumisesta saa myös ratkaisunsa, sillä aika-avaruuden paikallinen geometria kertoo pyörivälle kappaleelle muusta maailmankaikkeudesta. Newtonin liikeopin mukaan avaruus vaikuttaa kappaleisiin, mutta kappaleet eivät vaikuta avaruuteen. Sen sijaan Einsteinin mukaan kappaleet vaikuttavat avaruuteen, käyristäen sitä, ja avaruus vaikuttaa kappaleisiin. Gunnar Nordström
Nordströmin painovoimateoriaa pidettiin Einstein vuonna 1915 julkaisemasta yleisestä suhteellisuusteoriasta huolimatta sen merkittävänä kilpailijana. Tätä mieltä oli muun muassa Max von Laue. Kokeellinen osoitus Einsteinin teorian paremmuudesta tehtiin vuonna 1919, jolloin auringonpimennyksen aikana havaittiin valon kaareutuvan painovoiman vaikutuksesta. Tätä kaareutumista ei Nordströmin teoria ennustanut. Fotoni
Modernin fotonin mallin kehitti Albert Einstein vuosien 1905 ja 1917 välillä selittämään kokeiden tuloksia, jotka eivät käyneet yhteen perinteisen valon aaltomallin kanssa. Erityisesti fotoniteoria sisälsi energian riippuvuuden valon aallonpituudesta ja selitti aineen ja säteilyn kyvyn olla termodynaamisessa tasapainossa. Muut fyysikot yrittivät selittää näitä puoliklassisilla malleilla, joissa valoa kuvattiin edelleen Maxwellin yhtälöillä, mutta valoa emittoivat tai absorboivat esineet oli kvantisoitu. Vaikka puoliklassiset mallit edistivät kvanttimekaniikan kehitystä, kokeet osoittivat todeksi Einsteinin hypoteesin valon hiukkasluonteesta. Albert Einstein
Einstein sai valmiiksi yleisen suhteellisuusteorian 25. marraskuuta 1915. Silloin hän ilmestyi fysikaalis-matemaattiseen kokoukseen kertomaan teoriastaan. Toukokuussa Einstein valittiin kahdeksi vuodeksi Saksan fysikaalisen seuran puheenjohtajaksi. Einstein alkoi sairastella ja joutui maksasairauden vuoksi luopumaan matkasta Hollantiin. Lääkärin mukaan hänellä oli sappikiviä. Sairaudet johtuivat todennäköisesti raskaasta työstä ja huonosta ravinnosta, sillä Berliinissä vallitsi sodan takia ruokapula. Tieteellisellä rintamalla alkoi kuitenkin voittokulku. Albert Einstein
Koulusta erottuaan Einstein matkusti Milanoon vanhempiensa luo. Einsteinin vanhemmat eivät olleet tyytyväisiä poikansa omavaltaiseen toimintaan ja pelkäsivät tämän tulevaisuuden puolesta. Jakob-setä kuitenkin ehdotti Einsteinin seuraavaksi opiskelupaikaksi Zürichin Eidgenössische Polytechnikumia, jonne pääsyn edellytyksenä ei ollut ylioppilastutkinto. Einstein valmistautui Zürichin korkeakoulun pääsykokeisiin kirjoittamalla ensimmäisen tieteellisen esseensä vuonna 1895. Esseen nimi oli "Über die Untersuchung des Aetherzustandes im magnetishen Felde" (). Einstein itse piti sitä roskana. Hän käsittelee esseessään eetteriä ja Heinrich Hertzin vuonna 1888 löytämiä sähkömagneettisia säteitä. Einsteinin essee on tuskin ollut kokonaan hänen oma taidonnäytteensä, sillä esseen ja tuon ajan populaarien tiedejulkaisujen väliltä on löydetty monia yhtäläisyyksiä. Tiedeviestintä
Albert Einsteinin vuonna 1915 julkaisema yleinen suhteellisuusteoria herätti laajan yleisen kiinnostuksen fysiikkaa kohtaan. Niinpä 1918 päättyneen ensimmäisen maailmansodan jälkeen, oli fyysikoiden vuoro astua popularisoidun tieteen valokeilaan. Ensimmäisen maailmansodan kuviteltiin lopettavan kaikki sodat, ja tästä syystä maailmansotien välillä vallinneissa euforisissa tunnelmissa ajateltiin tieteen kykenevän ratkaisemaan kaikki ihmiskunnan ongelmat. Albert Einsteinin ohella myös muut Nobel-palkitut fyysikot kuten Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg ja Erwin Schrödinger tutkimuksineen saivat osansa julkisesta huomiosta.
Toisen maailmansodan 1939-1945 aikana tiedeuutisointi keskittyi terveysvalistukseen, koska uusimmat tieteelliset innovaatiot haluttiin sodan vuoksi salata. Manhattan-projektin ja viimein Hiroshimaan ja Nagasakiin pudotettujen atomipommien päättämän sodan jälkeen olivat fyysikot hetken sankareita, sodan voittajia. Piilomuuttujateoria
Pian lausuttuaan kuuluisan kommenttinsa "Jumala ei pelaa arpapeliä" Einstein yritti muotoilla determinstisen vasta­ehdotuksen
kvanttimekaniikalle. Preussin tiedeakatemian kokouksessa Berliinissä 5. toukokuuta 1927 hän esitteli teoriaansa käsittelevän artikkelin "Bestimmt Schrödinger's Wellenmechanik die Bewegung eines Systems vollständig oder nur im Sinne der Statistik?" 
(“Määrittääkö Schrödingerin aaltomekaniikka systeemin liikkeen täydellisesti vai ainoastaan tilastollisessa mielessä?”).
Viidennessä Solvay-konferenssissa Belgiassa lokakuussa 1927, missä olivat läsnä ajan kaikki huomattavimmat teoreettiset fyysikot, Louis de Broglie esitteli oman versionsa deterministiseksi piilo­muuttuja­teoriaksi, ilmeisesti tietämättömänä siitä, että Einstein oli aiemmin samana vuonna yrittänyt vastaavaa. De Broglien teorian mukaan jokaiseen hiukkaseen liittyi kätketty pilottiaalto, joka ohjaa sen liike­rataa avaruudessa. Konferenssissa erityisesti Wolfgang Pauli arvosteli teoriaa tavalla, johon de Broglie ei kyennyt asian­mukaisesti vastaamaan. De Broglie hylkäsikin pian teoriansa. Maailmankaikkeus
1900-luvun alkupuolella erityisesti Edwin Hubblen tekemien havaintojen perusteella selkeni myös näkemys siitä, että Linnunrata ei ole ainoa galaksi, ja maailmankaikkeus on paljon aiempia arvioita suurempi. Oli tapahtunut muutos kaiken keskipisteenä olevasta Maasta siihen, että aurinkokuntamme, ja jopa galaksimme on vain häviävän pieni maailmankaikkeuden osa. Nykyaikainen kosmologia sai alkunsa, kun Albert Einstein esitti yleisen suhteellisuusteoriansa vuonna 1915. Kun yksittäisillä tähdillä ja galakseilla havaittiin spektriviivojen punasiirtymää, ilmiö tulkittiin etääntyvän liikkeen aiheuttamaksi Dopplerin ilmiöksi. Näin syntyi nykyinen tieteellinen käsitys laajenevasta maailmankaikkeudesta. Nykyään tiedetään myös, että suurin osa galakseista on ryhmittynyt galaksijoukoiksi, jotka puolestaan muodostavat superjoukkoja ja edelleen useista superjoukosta koostuvia galaksimuureja, maailmankaikkeuden suurimpia tunnettuja rakenteita. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_35 Albert Einstein
Einsteinin isä kuoli 55-vuotiaana 10. lokakuuta 1902 ja antoi kuolinvuoteellaan luvan Einsteinin ja Mileva Marićin avioliittoon. Pian äitikin taipui lopulta poikansa tahtoon. Einstein avioitui Marićin kanssa 6. tammikuuta 1903. Ennen avioitumista he olivat saaneet Lieserl-tyttären. Lieserlistä ei tiedetä paljoakaan, mutta todennäköisesti hänet annettiin adoptoitavaksi, ja hän menehtyi syyskuussa 1903. Abram Ioffe väittää Einstein-elämäkerrassa, että Marić auttoi miestään huomattavasti vaativissa laskutoimenpiteissä suhteellisuusteorian laadinnan yhteydessä. Albrecht Fölsing antaa omassa elämäkerrassaan Marićin roolista maltillisemman kuvan. Marićille ja Einsteinille syntyi myöhemmin vielä kaksi poikaa, Hans Albert Einstein ja Eduard Einstein.
Marić muutti poikien kanssa pois miehensä luota, kun sai selville, että Einsteinilla oli suhde serkkunsa Elsa Löwenthalin kanssa. Asumusero astui voimaan vuonna 1914, ja Marić ja pojat palasivat Sveitsiin. Gunnar Nordström
Palattuaan Suomeen Nordström teki 1908 Helsingin yliopistossa 140 sivun pituisen väitöskirjansa, joka käsitteli liikkuvien sähkövarausten energiaa ja oli nimeltään "Liikkuvien kappaleiden sähkömagneettisen kentän energiayhtälöstä". Väitöstyö oli ensimmäinen kytkentä Albert Einsteinin ajatusmaailmaan, vaikkei koko väitöstyössä mainita sanallakaan Einsteinin suppeaa suhteellisuusteoriaa. Jo pelkästä väitöstyön nimestä löytää yhtäläisyyksiä Einsteinin vuonna 1905 julkaisemaan teoriaan. Erich Kretschmann
Erich Kretschmann (1887–1973) oli saksalainen matemaatikko. Hän väitteli Berliinin yliopistossa vuonna 1914 ohjaajinaan Max Planck ja Heinrich Rubens. Väitöstyö liittyi Albert Einsteinin suhteellisuusteoriaan ja sen otsikko oli "Eine Theorie der Schwerkraft im Rahmen der ursprünglichen Einsteinschen Relativitätstheorie". Max Abraham
Abraham aloitti elektronia koskevan teorian kehittämisen vuonna 1902. Hänen mukaansa elektronilla on täydellinen pallopinta, mihin sähkövaraus on jakautunut tasaisesti. Hendrik Lorentz ja Albert Einstein kehittivät toisenlaista teoriaa, josta tuli laajemmin hyväksytty kuin Abrahamin teoriasta. Abraham muistetaan myös tiedemiehenä, joka vastusti koko elämänsä suhteellisuusteoriaa. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_42 Tähtitieteen historia
Isaac Newton yhdisti 1600-luvun lopulla fysiikan tähtitieteeseen. Vuonna 1687 julkaisemassaan "Principiassa" Newton esitti liikelakinsa ja painovoimateoriansa, jotka pätivät maapallon ohella myös muualla maailmankaikkeudessa. Painovoimalain ja liikelakien avulla pystyttiin selittämään myös Keplerin lait, mikä loi vankan pohjan taivaanmekaniikan synnylle. Newton siis yhdisti matemaattisesti kaksi aikaisemmin täysin erillisiltä vaikuttanutta ilmiömaailmaa, taivaankannen ja maanpinnan liikeilmiöt. Lisäksi hän kehitti peilikaukoputken vuonna 1668 ja havaitsi, että Auringon valkoinen valo voidaan jakaa spektrin väreihin. Aika
Fysiikassa perussuure "aika" (, tunnus "t") määritellään tapahtumien välisenä etäisyytenä aika-avaruuden neljännellä akselilla. Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan aikaa ei voi esittää muuten kuin aika-avaruuden osana. Tapahtumien välinen etäisyys riippuu tapahtumia tarkkailevien havainnoitsijoiden suhteellisesta nopeudesta tapahtumaan nähden. Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria muutti ajan määritelmää vielä enemmän esittämällä kaareutuneen aika-avaruuden käsitteen. Eristetyssä järjestelmässä ajan kuluessa eteenpäin entropia eli haje aina kasvaa, joten hajeen kasvusta voidaan päätellä ajan suunta. Normaalisti syy-seuraussuhteen mukaisesti syy on myös aina ennen seurausta. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_23 Suhteellisuusteoria
Erityinen suhteellisuusteoria, joka tunnetaan myös suppeana tai erikoisena suhteellisuusteoriana, on nykyisen fysiikan vallitseva käsitys tilasta, ajasta ja sähkö­magnetismista. Albert Einstein julkaisi erityisen suhteellisuusteorian 1905. Se pätee vain inertiaalikoordinaatistoissa eikä kykene käsittelemään kiihtyvää (tai hidastuvaa) liikettä. Erityinen suhteellisuusteoria on yksi tarkimmin verifioiduista fysiikan teorioista. Siihen liittyvät ilmiöt ovat jokapäiväisiä muun muassa hiukkas- ja astrofysiikan tutkimuksessa. Erityisen suhteellisuusteorian matematiikka on helposti omaksuttavissa, ja joitakin sen tuloksia esitellään jo lukion fysiikassa. Se on myös yhteensopiva kvanttimekaniikan kanssa. Charles S. Peirce
Peirce esitti myös yleisellä tasolla matematiikkaan ja fysiikkaan liittyviä spekulaatioita, jotka olivat hieman samansuuntaisia kuin myöhemmin Ernst Machin ja Albert Einsteinin suhteellisuusteoriat. Ei ole osoitettu että Peircen ajatuksilla olisi ollut suoraa vaikutusta kumpaankaan, mutta niiden voidaan katsoa osoittavan että filosofinen pohja suhteellisuusteorialle oli "ilmassa" vuosisadan vaihteessa. Einstein sitten esitti suhteellisuusteoriasta matemaattisen muotoilun, joka osoittautui oikeaksi. Sittemmin fyysikko Lee Smolin on puolustanut näkemyksiä kosmisesta evoluutiosta ja luonnonlakien suhteellisuudesta (ne ovat evoluutioprosessin tulosta, eivät absoluutteja), ja tunnustanut Peircen tämän ajattelun isäksi. Fysiikan historia
Ensimmäinen Einsteinin ihmeiden vuoden työ oli Heinrich Hertzin löytämän valosähköisen ilmiön selittäminen. Einstein käytti tässä apunaan Planckin teoriaa energian kvantittumisesta. Einsteinin mukaan valo voi irrottaa metalleista elektroneja, jos siinä on vain tarpeeksi energiaa. Tästä työstä Einstein sai vuonna 1921 Nobelin fysiikanpalkinnon. Valosähköistä ilmiötä käytetään nykyään hyödyksi muun muassa kameroissa ja valokennoissa. Albert Einstein
Einstein oli saanut kolme vuotta aiemmin kutsun Etelä-Amerikkaan mutta kieltäytynyt. Nyt aika oli otollinen, ja hän lähti matkalle maaliskuun alussa 1925. Politiikan ja tieteen johtomiehet osoittivat ihailuaan. Hänet vihittiin Argentiinan akatemian ulkomaiseksi jäseneksi. Hän vietti kolme viikkoa Argentiinassa ja matkusti sitten Uruguayihin. Lopuksi hän matkusti Brasiliaan, ja kolme kuukautta kestäneen matkan jälkeen hän palasi Berliiniin. Matkansa jälkeen Einstein alkoi keskittyä kenttä- ja kvanttiteoriaan. Sen lisäksi hän jatkoi työtään Jerusalemin heprealaisen yliopiston kuraattorikunnassa ja Kansainliiton henkisen yhteistyön komissiossa. Frans A. Kotkanpää
Kotkanpää kirjoitti seuranäytelmiä ja vuonna 1945 hän julkaisi omakustanteena teoksen "Einsteiniläisen maailmankäsityksen suuri illuusio" jossa hän pyrki osoittamaan Albert Einsteinin suhteellisuusteorian virheelliseksi. Albert Einstein
1900-luvun alussa ranskalainen Henri Poincaré ja hollantilainen Hendrik Lorentz julkaisivat uusia laskelmia aika-avaruudesta ja liikkeestä. Näyttää siltä, ettei Einstein ollut kovin hyvin perillä kollegoidensa tuloksista vaan keskittyi omaan teoriaansa. Hän piti aikaa ja pituutta suhteellisina käsitteinä. Gunnar Nordström
Tässä ensimmäisessä Nordströmin teoriassa oli puutteita, mutta Einsteinin kanssa käyty keskustelu johdatti Nordströmin uudenlaiseen painovoimateoriaan. Einstein oli hyvin kiinnostunut Nordströmin skalaariteoriasta, vaikka itse pysyttelikin tensoriteoreettisella puolella. Saksalaisessa luonnontieteilijätapaamisessa saman vuoden syyskuussa Einstein esitteli painovoimateorian senhetkistä tilaa ja käytti paljon aikaa Nordströmin teorian käsittelyyn. Einsteinin mukaan Nordströmin teoria oli ainoa, joka oli sekä konsistentti että toteutti Einsteinin hyvältä teorialta edellyttämän ekvivalenssiperiaatteen, energian ja impulssin säilymisen sekä antoi rajatapauksena suppeamman suhteellisuusteorian. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_20 Einsteinin kenttäyhtälöt
Einsteinin kenttäyhtälöt tai "Einsteinin yhtälöt" ovat kymmenen Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian yhtälöä, jotka kuvaavat gravitaation massan ja energian aiheuttamana aika-avaruuden kaareutumana. Tarkalleen ottaen kenttäyhtälöt ilmaisevat yhteyden avaruuden geometrian ja siellä olevan massan ja energian välillä. 
Kenttäyhtälöt julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1915. Yhtälöissä käytetään tensoreita, mikä mahdollistaa niiden esittämisen ja käytön valitusta koordinaatistosta riippumatta. Albert Einstein
Vuoden 1919 auringonpimennys mahdollisti Einsteinin teorian mukaisen auringon lähellä tapahtuvan valon taipumisen testaamisen, joka sitten osoitti ennusteen todeksi. Syntyi valtava kohu, ja Einstein sai osakseen paljon huomiota eri puolilla maailmaa. Einstein itse ihmetteli suhteellisuusteorian saamaa huomiota, olihan se kuitenkin niin kaukana käytännön elämästä. Vaikka julkisuus toi rahaa ja hänellä oli hyvä palkka, se ei riittänyt Marićin elatusapujen maksamiseen, sillä saksan markan kurssi laski kovaa vauhtia. Tästä syystä Einstein kävi eri yliopistokaupungeissa luennoimassa hyvää korvausta vastaan. Einstein oli eronnut vaimostaan vuonna 1919. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_9 Albert Einstein
Einstein yritti suhteellisuusteorioidensa jälkeen yhdistää kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian. Hän työskenteli kaiken teorian parissa lähes 30 vuotta onnistumatta, mutta loi pohjaa tulevalle. Einstein työsti kaiken teoriaa vielä kuolinvuoteellaan. Einstein saattoi tehdä virheen siinä, ettei yrittänyt luoda kaiken teoriaa kvanttimekaniikan päälle. Hänen suurimmaksi kompastuskivekseen osoittautui suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistäminen ja varsinkin halu poistaa fysiikasta kvanttimekaniikkaan kuuluva epävarmuus. Albert Einstein
Albert Einstein (lausunta saksaksi: ; ) oli saksanjuutalainen teoreettinen fyysikko, joka loi suhteellisuusteorian. Hän vaikutti myös merkittävästi kvanttimekaniikan ja kosmologian kehitykseen, ja häntä pidetään yleisesti 1900-luvun tärkeimpänä fyysikkona. Yleinen suhteellisuusteoria
Albert Einstein julkaisi vuonna 1905 erityisen suhteellisuusteorian, jossa hän esitteli uudenlaiset käsitykset avaruudesta ja ajasta. Erityinen suhteellisuusteoria sovittaa sähködynamiikan ja Newtonin liikelakien väliset ristiriitaisuudet. Suppea suhteellisuusteoria ei kuitenkaan ole yhdenmukainen Newtonin painovoimalain kanssa, jonka mukaan painovoima syntyy kahden kappaleen massojen välisestä vuorovaikutuksesta. Albert Einstein
Einsteinin rahatilanne alkoi heikentyä, kun vanhemmat ja muut sukulaiset eivät enää lähettäneet rahaa. Heikko menestys loppututkinnossa ei kuitenkaan ollut lannistanut Einsteinia, vaan hän ryhtyi tutkimaan kapillaari-ilmiötä. Hän sai sitä koskevan käsikirjoituksen valmiiksi joulukuussa 1900, ja kirjoitus julkaistiin "Annalen der Physik" -lehdessä 1. maaliskuuta 1901. Kirjoitus oli pieni läpimurto kapillaari-ilmiön selittämisessä, mutta se sisälsi vielä paljon virheitä. Terminen emissio
Elektronin irrotustyö metallin pinnasta on keskeinen käsite myös tutkittaessa ns. valosähköistä ilmiötä. Albert Einstein julkaisi vuonna 1905 muiden käänteentekevien töidensä ohella ilmiötä koskevan tutkielman. Ilmiötä koskevasta työstään hän sai myöhemmin Nobelin palkinnon. Albert Einstein
Einstein julkaisi suppean suhteellisuusteorian kesällä 1905 mutta täydensi sitä muutaman kuukauden päästä kolmisivuisella artikkelilla. Samalla suppeaan suhteellisuusteoriaan lisättiin ehkä kaikkein kuuluisimmaksi yhtälöksi noussut E=mc². Tämä työ luetaan usein neljänneksi annus mirabilis -työksi, vaikka se on vain suppean suhteellisuusteorian täydennys. Solvay-konferenssi
5. Solvay-konferenssi on kaikkein tunnetuin tähän asti järjestetyistä konferensseista. Tapaaminen järjestettiin lokakuussa vuonna 1927. Tapaamisen aiheena oli "elektronit ja fotonit". Sen ajan merkittävimmät fyysikot tapasivat toisensa ja keskustelivat, silloin vielä uudesta teoriasta, kvanttimekaniikasta. Näkyvimmät hahmot olivat Albert Einstein ja Niels Bohr, jotka ajautuivat intensiiviseen sanaharkkaan. Einstein laittoi Werner Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen ikävään valoon. Einstein ei koskaan pitänyt kvanttimekaniikasta ja pyrki esittämään teorian vääräksi lähes koko elämänsä ajan. E=mc²
E=mc² on kuuluisa yhtälö, joka usein yhdistetään Albert Einsteinin erityiseen suhteellisuusteoriaan. Se merkitsee, että energian "E" ja massan "m" välillä on yhteys. Kerroin "c²" on valonnopeuden toinen potenssi eli valonnopeuden neliö. Yhtälö on johdettu erityisestä suhteellisuusteoriasta, eikä siis varsinaisesti kuulu itse teoriaan vaan on sen seuraus. Arthur Eddington
Koko tämän ajan Eddington piti luentoja suhteellisuusteoriasta ja tuli erityisen tunnetuksi siitä, että hän kykeni selittämään sen käsitteet yhtä lailla maallikoille kuin tiedemiehillekin. Vuonna 1923 hän kokosi monet luentonsa teokseksi "Mathematical Theory of Relativity", jota myös Einstein piti "hienoimpana esityksenä aiheesta millään kielellä." Hän oli Einsteinin yleisen suhteellisuus­teorian varhainen puolesta­puhuja, ja mielenkiintoinen anekdootti kuvaa hyvin hänen asennettaan ja henkilökohtaista paneutumistaan: Ludwig Silberstein, fyysikko, joka myös piti itseään suhteellisuus­teorian asian­tuntijana, kohtasi Eddingtonin Royal Societyn kokouksessa 6. marraskuuta 1919, jossa hän oli puolustanut Einsteinin suhteellisuusteoriaa Brasiliassa ja Principessä auringonpimennyksistä tehdyillä laskelmilla, kuitenkin jossakin määrin skeptisesti, ja sanoi Eddingtonin olevan yksi kolmesta henkilöstä, jotka todella ymmärsivät teorian (kaksi muuta olivat tietysti Silberstein itse ja Einstein). Kun Eddington ei vastannut mitään, Silberstein pyysi, ettei hän olisi "niin ujo", jolloin Eddington vastasi: "Ei, ei, minä ihmettelin, kuka se kolmas mahtaa olla!" Piilomuuttujateoria
Bohrin ja Einsteinin väliset väittelyt huipentuivat vuonna 1935, kun Einstein lopulta esitti yleensä parhaana pidetyn todistelunsa kvantti­mekaniikan täydellisyyttä vastaan. Einstein, Podolsky ja Rosen ehdottivat, että "täydellinen" kuvaus olisi määriteltävä sellaiseksi, joka yksi­käsitteisesti määrittää kaikkien mitattavien ominaisuuksien arvot. Einstein esitti tällöin käytetystä todistelusta myöhemmin seuraavan yhteenvedon: Erityinen suhteellisuusteoria
Suppean uhteellisuusteorian pääkohdat julkaistiin alkujaan Annalen der Physik -aikakauskirjan numerossa 10 vuonna 1905 nimellä "Liikkuvien kappaleiden elektrodynamiikasta" (). Samassa numerossa julkaistiin myös Einsteinin valokvantteja ja Brownin liikettä käsitelleet artikkelit. Erityinen suhteellisuusteoria
formula_1 Bernhard Riemann
Riemannin syvällinen panos geometriaan sisältyy hänen vuonna 1854 Göttingenin yliopiston dosentuuria varten pitämäänsä luentoon "Über die Hypthese welche der Geometrie zugrunde liegen". Riemannin näkemys geometriasta, jonka luonne saattaa vaihtua avaruuden eri paikoissa, tuli merkittäväksi Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian myötä. Joseph Larmor
Samaan aikaan kun Hendrik Lorentzin kehitti eetteriteoriaansa, Larmor keksi hänestä riippumatta Lorentz-muunnoksen ja julkaisi sen aikakaus­kirjassa "Philosophical Transactions of the Royal Society" vuonna 1897, noin kaksi vuotta ennen kuin Lorentz julkaisi sen ja kahdeksan vuotta ennen Albert Einsteiniä. Larmor ei esittänyt oikeaa lauseketta nopeuden muunnokselle ja nopeuksien yhdistämis­laille, jotka myöhemmin keksi Henri Poincaré. Larmor ennusti aikadilataation, ainakin kierto­liikkeessä olevien elektronien osalta, ja osoitti, että pituuskontraktion (FitzGerald-Lorentz-kontraktion) pitäisi esiintyä kappaleilla, joiden atomeja pitävät koossa sähkömagneettiset voimat. Teoksessaan "Aether and Matter" (1900) hän esitti uudestaan Lorentz-muunnoksen, aikadilataation ja pituuskontraktion, joita hän kuitenkaan ei käsitellyt kinemaattisina vaan dynaamisina ilmiöinä. Larmor vastusti Albert Einsteinin suhteellisuusteoriaa, vaikka kannattikin sitä aluksi lyhyen ajan. Hän hylkäsi sekä avaruuden kaareutumisen että yleisen suhteellisuus­teorian ja väitti, että absoluuttinen aika on tähti­tieteessä oleellinen. Kansainvälinen fysiikan vuosi
Suppea suhteellisuusteoria sai vielä 21. marraskuuta 1905 laajennuksen, joka julkaistiin "Annalen der Physikin" seuraavassa numerossa. Siinä kaava E=mc² esiteltiin ensimmäisen kerran. Albert Einstein
Heinäkuussa 1923 Einstein matkusti Ruotsiin ottaakseen vastaan Nobelin palkinnon. Palkintoa oli yritetty saada Einsteinille jo pitkään, mutta vasta suhteellisuusteorian varmistaminen vuonna 1919 oli tuonut mukanaan vahvan ehdokkuuden. Nobel myönnettiin Einsteinille loppujen lopuksi valosähköisen ilmiön selittämisestä eikä suhteellisuusteoriasta, koska Nobelin palkinnot myönnettiin keksinnöille, ja suhteellisuusteoria ei ollut keksintö siten kuin se oli määritelty Alfred Nobelin testamentissa. Rahapalkinnon Einstein antoi suoraan Marićille siten, että he saisivat vuosittain sen korot. Marićille järjestely ei sopinut ja sovittiin, että ostettaisiin taloja, joiden vuokratulot menisivät Marićille. Maailmankaikkeus
Parhaiten gravitaatiota ja sen vaikutusta maailmankaikkeudessa kuvaa Albert Einsteinin vuonna 1915 esittämä (julkaistu 1916) yleinen suhteellisuusteoria, joka on erityisen suhteellisuusteorian laajennus. Teoria selittää gravitaation kappaleiden massan aiheuttamana aika-avaruuden kaareutumisena ja on edelleen yksi modernin fysiikan keskeisimmistä kulmakivistä. Newtonin mekaniikan tavoin myös yleisessä suhteellisuusteoriassa kappaleet pyrkivät ”luonnostaan” kulkemaan suoraa rataa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruuden kaareutumista kuvaavat yhtälöt voidaan yksinkertaisimmillaan esittää muodossa
formula_1
jossa "G" on aika-avaruuden kaareutuminen pisteessä ja "T" pisteessä sijaitseva massa ja sen ominaisuudet. Tällainen määritelmä on kuitenkin lähes hyödytön käytännön laskuissa, joten yhtälö jaetaankin usein kymmeneen monimutkaiseen Einsteinin kenttäyhtälöön, joista jokainen sisältää useita muuttujia. Fysiikan historia
Einsteinin ja Nordströmin kilpailevia teorioita oli tarkoitus testata Etelä-Venäjällä elokuussa vuonna 1914. Testausta ei koskaan tehty, sillä tutkimusryhmä kaapattiin. Einsteinin julkaisema yleinen suhteellisuusteoria ei aluksi vakuuttanut gravitaatiosta kiinnostuneita fyysikoita. Max von Laue piti vuonna 1917 Nordströmin teoriaa huomattavana kilpailijana Einsteinin teorialle. Kokeellinen todistus saatiin vuonna 1919 auringonpimennyksen aikana suoritetuista mittauksista, jotka kallistivat vaa'an Einsteinin teorian eduksi. Yleinen suhteellisuusteoria muuttaa myös ajan käsitystä. Suppeassa suhteellisuusteoriassa Einstein esitti ajan olevan suhteellista ja yleisessä hän laajentaa ajan käsitettä siten, että myös aika on paikallista. Sähkömagnetismi suhteellisuusteoriassa
Suhteellisuus­teoria saikin alkunsa sähkö­magnetismin lakien luonnetta koskeneesta pohdinnasta. Vuonna 1865 James Clerk Maxwell oli jo tiivistänyt sähkö­magnetismin teorian neljäksi yhtälöksi, Maxwellin yhtälöiksi. Ennen suhteellisuus­teoriaa vallitseva käsitys kuitenkin oli, että nämä yhtälöt pätevät sellaisenaan vain maailmaneetterin koordinaatistossa, joka myös samastettiin Newtonin olettaman absoluuttinen avaruuden kanssa. Tässä suhteessa sähkö­magnetismin lait olisivat kuitenkin selvästi poikenneet klassisen mekaniikan laeista, jotka olivat samat kaikissa tasaisessa liikkeessä olevissa inertiaali­järjestelmissä. Erityinen suhteellisuus­teoria sitä vastoin osoitti, että myös sähkö­magnetismin lait ovat samat kaikissa inertiaali­järjestelmissä. Itse asiassa Einsteinin ensimmäisen suhteellisuusteoriaa koskeneen, vuonna 1905 julkaistun artikkelin otsikkona olikin "Liikkuvien kappaleiden elektro­dynamiikasta" (), ja yli puolet artikkelista käsittelee artikkelista käsitteli kysymystä siitä, miten Maxwellin yhtälöt muuntuvat siirryttäessä vertailu­järjestelmästä toiseen. Ajan ja avaruuden filosofia
Myöhemmin yleisessä suhteellisuusteoriassa Einstein yleisti suhteellisuuden ei-inertiaalisiin viitekehyksiin. Tämän mahdollisti ekvivalenssiperiaatteen olettaminen. Sen mukaan gravitaation aiheuttama voima ja kiihtyvyyden seurauksena tunnetut hitausvoimat ovat periaatteessa sama asia. Einsteinin esittämän ajatuskokeen (”Einsteinin hissi” tai avaruusalus) mukaan suljetussa tilassa oleva havaitsija, joka ei näe tämän tilan ulkopuolelle, ei voi millään keinolla ratkaista, onko tämä kiihtyvässä liikkeessä vai vaikuttaako siellä jonkin ulkopuolella olevan kappaleen aiheuttama gravitaatiovoima. Tämä johti johtopäätökseen, jonka mukaan olion massa kaareuttaa sen ympärillä olevan aika-avaruuden, niin kuin Einsteinin kenttäyhtälöt kuvaavat. Albert Einstein
Einsteinin menestyksekkäin vuosi fysiikan saralla oli 1905. Tuona vuonna hän esitteli yhteensä viisi tieteellistä julkaisua, joista jokainen vaikutti paljon nykyfysiikan kehittymiseen. Vuotta 1905 kutsutaan fysiikkapuheessa usein nimellä "annus mirabilis" (”ihmeiden vuosi”). Alun perin annus mirabilis -termiä käytettiin vuosista, jolloin Isaac Newton keksi omat teoriansa. Planckin laki
Vastoin yleistä luuloa Planck ei käsitellyt valon vaan aineen ja säteilyn välisen energiavaihdon kvantittumista – ja sitäkin vasta vuonna 1911 Einsteinin ja Lorenzin myötävaikutuksella. Se käy selväksi hänen alkuperäisestä kirjoituksessaan vuodelta 1901 ja tässä paperissa oleviin viittauksiin aikaisempaan työhönsä. Hänen kirjassaan ”Theory of Heat Radiation” (Lämpösäteilyn teoria) on myös selvästi esitetty Planckin vakion viittaavan sähköiseen värähtelijään (Hertzian oscillator). Kvantittumisen käsitteen kehittivät muut sellaiseksi, joka nykyisin tunnetaan kvanttimekaniikkana. Seuraavan askeleen tällä tiellä otti Albert Einstein, joka valosähköistä ilmiötä tutkittuaan ehdotti mallia ja yhtälöä, jossa valoa ei vain emittoitu (lähetetty) vaan myös absorboitiin (vastaanotettiin) paketteina tai fotoneina. Tyydyttävä teoreettinen johto laille saatiin kuitenkin vasta, kun Satyendra Nath Bose ja Einstein 1920-luvulla olivat esittäneet Bosen–Einsteinin statistisen jakaumalain. Albert Einstein
Suppeassa suhteellisuusteoriassa Einstein tarkasteli tasaista liikettä. Yleisessä suhteellisuusteoriassa Einstein yleisti näkemystä ja lisäsi siihen voimia, etenkin painovoiman. Ollessaan vuonna 1907 töissä Bernin patenttitoimistossa hän alkoi pohtia painovoimaa. Einstein kuvitteli tilanteen, jossa mies on vapaasti alaspäin putoavassa hississä. Mies ei tunne omaa painoaan, kun hissi putoaa vapaasti painovoimakentässä. Tämän pohjalta Einstein ajatteli painovoiman olevan näennäisvoima, joka johtuu koordinaatiston valinnasta. Yleinen suhteellisuusteoria
Einstein joutui hylkäämään euklidisen geometrian, jotta kaikki kiihtyvässä liikkeessä olevat kappaleet olisivat keskenään samanarvoisia. Tämä johti Einsteinin kehittämään painovoimateoriaan, johon liittyy vahvasti aika-avaruuden kaareutuminen.