Yleinen suhteellisuusteoria 100 v Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 16:15Prof. Tapio Markkanen, Mitä tähdet kertoivat? Tähtitiede ja tieto.

Esitys aiheesta: "Yleinen suhteellisuusteoria 100 v Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 16:15Prof. Tapio Markkanen, Mitä tähdet kertoivat? Tähtitiede ja tieto."— Esityksen transkriptio:

1 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 16:15Prof. Tapio Markkanen, Mitä tähdet kertoivat? Tähtitiede ja tieto maailman- kaikkeudesta yleisen suhteellisuusteorian synnyn aikaan Vuosisatojen aikana tähtitieteen tehtävä oli ollut selvittää, kuinka taivaankappaleet liikkuvat. Tieto aineen rakenteesta ja aineen ja säteilyn vuorovaikutuksesta teki 1900-luvun alussa mahdolliseksi kysyä, miten maailmankaikkeus ja sen osat ovat rakentuneet. Sen myötä myös maailmankaikkeuden kokonaiskehityksen pohtiminen tuli ajankohtaiseksi. 17:10Dos. Hannu Kurki-Suonio, Yleisen suhteellisuusteorian synty ja sisältö Pyrin kuvailemaan ymmärrettävästi, mistä yleisessä suhteellisuusteoriassa on kysymys (ja mistä siinä ei ole kysymys). Yleinen suhteellisuusteoria on Albert Einsteinin luomus, mutta kaikki Einsteinin pohdiskelu ei päätynyt sellaisenaan lopulliseen teoriaan. Yleisen suhteellisuusteorian perusajatus on, että gravitaatio on perimmäiseltä luonteeltaan geometriaa. Painovoima ei ole todellinen voima, vaan näennäisvoima, jonka todellinen selitys on aika-avaruuden kaarevuus. Kerron myös joistakin klassisista ja moderneista yleisen suhteellisuusteorian testeistä. 18:00Kahvitauko 18:20TkT Tuomo Suntola, Entä, jos Einsteinilla olisi ollut käytössään tämän päivän instrumentit, havainnot ja tiedot? Suhteellisuusteoriat konstruoitiin suhteellisuusperiaatteen ja ekvivalenssiperiaatteen pohjalta siten, että luonnonlait näkyisivät samanlaisina kaikissa liike- ja gravitaatiotiloissa. Testattavia luonnonlakeja olivat Newtonin liikelait, Maxwellin yhtälöt ja interferenssiperiaatteella mitattu valon nopeus. Kaukoavaruus oletettiin yleisesti staattiseksi, atomien rakennetta eikä atomikelloja tunnettu. Mitä uusia näkökulmia nykyinen tietämys antaa perussuureiden hahmottamiseen ja määrittelyyn? Onko avaruuden geometria syy gravitaatioon vai seuraus gravitaatiosta? Vaikuttavatko liike ja gravitaatio aikaan vai atomikellon ominaistaajuuteen? 19:15-Keskustelu suhteellisuusteoriasta ja sen merkityksestä todellisuuskuvamme perustana 20:00

2 Entä, jos Einsteinilla olisi ollut käytössään tämän päivän instrumentit, havainnot ja tiedot? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 1.Suhteellisuusperiaate ja luonnonlait. 2.Mitä kellojen käyttäytymisestä on havaittu sadan vuoden aikana? 3.Mitä kvanttimekaniikka kertoo atomikellon ominaistaajuudesta? 4.Liikkeestä gravitaatioon vai gravitaatiosta liikkeeseen? 5.Ekvivalenssiperiaate vai energian säilyminen? Kosmologiset ennusteet. Tuomo Suntola

3 Suppea suhteellisuusteoria 1905 Luonnonfilosofian seura 2015 Henri Poincaré: Sähkömagneettinen massa E=mc 2 Walter Kaufmann 1902 Maxwellin yhtälöt ja valon nopeus pelastuvat, jos liike kutistaa atomia ja hidastaa aikaa (1899/1904) Hendrik Lorentz: Olinto De Pretto E=mc 2 Luonnonfilosofian seura 2015 Suhteellisuusperiaate Valon nopeus vakio

4 Miten suhteellisuusteoria palauttaa Newtonin liikelain F=ma ? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 v c t Havainnot (1902): v c t Newton: v = a  t SR: v c t’ Suhteellisuusperiaate on fysikaalinen periaate, jonka mukaan fysiikan lait ovat samat kaikissa tasaisessa liikkeessä olevissa koordinaatistoissa.

5 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Muokkaammeko havaintotodellisuuden sellaiseksi, että oikeina pitämämme luonnonlait toteutuvat … … vai … … etsimmekö luonnonlait, jotka toteutuvat meille luonnollisessa havaintotodellisuudessa, jossa ajalla ja paikalla on yksiselitteinen merkitys?

6 Neljäs ulottuvuus – aika-avaruus Luonnonfilosofian seura 2015 Mikä matka kuljetaan aika-avaruuden koordinaatistossa, jolla on nopeus v 0,1,2 havaitsijaan nähden? Herman Minkowski ”Minkowskin avaruus” (1908) Maxwellin yhtälöt ja valon nopeus pelastuvat, jos liike kutistaa atomia ja hidastaa aikaa (1899/1904) Hendrik Lorentz: ds 2 = dx 2 +dy 2 +dz 2 – (icdt’) 2 Henri Poincaré: Lorentz-muunnos voidaan kuvata koordinaatiston kiertona (1905) v 0 =00<v 1 <c 0≪v2<c0≪v2<c

7 A B Suhteellisuusperiaate Luonnonfilosofian seura 2015 Suhteellisuusperiaate Valon nopeus vakio A B

8 Mitä on havaittu? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110

9 Minkä suhteen nopeus? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015 1970s >> Global Positioning System (GPS) ”Lepokello” laboratoriossa 1938 (Ives, Stilwell), ionisuihku (H 2 +, H 3 + ) ”canal-ray”Ives, Stilwell 1960s Mössbauer kokeetMössbauer f e 1976 Gravity Probe A Hydrogen maser to 10 000 km. Maser transmitter receiver f' f" Maser transmitter ”Lepokello” maapallon pyörimiseen nähden 1971 (Hafele-Keating) Caesium-kellot lentokoneissa.

10 Minkä suhteen nopeus? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015 Maan energiakehys Laboratorion energiakehys ”Lepokello” aurinkoon nähden Pioneer luotain Auringon energiakehys

11 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Mitä kertoo ominaistaajuuden kvanttimekaaninen ratkaisu? Johtuuko kellojen erilainen käyntinopeus niiden kokeman ajan kulun hidastumisesta vai vaikuttaako liiketila kellojen ominaistaajuuteen?

12 Mitkä suureet määräävät atomikellon ominaistaajuuden Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Vetyatomin elektronin energiatilat: Ominaistaajuus: Plankin vakio Hienorakennevakio

13 Planckin yhtälö Säteily emittoituu energiakvantteina: Maxwellin yhtälöistä voidaan johtaa antennin emittoima säteilyteho: Ratkaistaan säteilyjakson energia kertomalla teho jakson ajalla :

14 Planckin yhtälö Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 B  r E E  z0z0 Planckin yhtälö kuvaa energiaa, jonka yhden elektronin oskillaatio ”kvanttiantennissa” siirtää yhteen säteilyjaksoon.

15 Mitkä suureet määräävät atomikellon ominaistaajuuden Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Planckin vakio Hienorakennevakio Vetyatomin elektronin energiatilat: Ominaistaajuus: Atomikellon ominaistaajuus on suoraan verrannollinen valon nopeuteen!

16 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Atomikellon ominaistaajuus on suoraan verrannollinen valon nopeuteen ja elektronin lepomassaan → ”lepoliikemäärään”. Liike kasvattaa massaobjektin liikemassaa - vaikuttaako liike lepomassaan?

17 Aika-avaruus vai neliulotteinen liikemäärä Luonnonfilosofian seura 2015 Henri Poincaré: Lorentz-muunnos kuvattavissa koordinaatiston kierrolla Herman Minkowski ”Minkowskin avaruus” Walter Kaufman

18 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Liike pienentää kellon lepoliikemäärää ja siten myös sen ominaistaajuutta kertoimella Kellon hidastuminen voidaan nähdä suorana seurauksena kellon energiatilasta!

19 Sisäkkäisen liikesysteemit Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2013

20 Minkä suhteen nopeus? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015 Maan energiakehys Laboratorion energiakehys ”Lepokello” aurinkoon nähden Pioneer luotain Auringon energiakehys

21 Liike ei suhteudu havaitsijaan, vaan systeemiin, josta liikkeen energia on saatu. Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Liikkeestä gravitaatioon.

22 Liikkeestä gravitaatioon: Ekvivalenssiperiaate Einstein – Minkowski - Schwarzschild Luonnonfilosofian seura 2015 Ekvivalenssiperiaate a inert = a grav Newtonin vapaan pudotuksen energia   r : Herman Minkowski ”Minkowskin avaruus” Karl Schwarzschild ”Schwarzschildin avaruus” r M Kineettistä energiaa on yhtä paljon kuin luovutettua potentiaalienergiaa

23 Liikkeestä gravitaatioon Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Onko avaruuden geometria johdettavissa luovutetusta gravitaatioenergiasta?

24 Liike 4-ulottuvuudessa Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015 Neljännen ulottuvuuden kautta suljettu avaruus kuvautuu 4D pallon 3D-”pintana”.

25 ja edelleen... “Kun vertaamme koko avaruuden gravitaatioenergiaa (GM 2 /R H ) avaruuden kaiken massan lepoenergiaan, Mc 2, havaitsemme yllättäen, että GM 2 /R H = Mc 2, mikä merkitsee, että avaruuden kokonaisenergia on nolla.... Tämä on yksi suurista salaisuuksista — ja siksi yksi fysiikan suurista kysymyksistä. Siispä, mikä hyötyä olisi tutkia fysiikkaa, elleivät salaisuudet olisi kaikkein tärkeimpiä tutkimuksen kohteita”. Luennoissaan gravitaatiosta 1960-luvun alkupuolella Richard Feynman (1918–1988) pohti avaruuden rakennetta: “... Olisi kiehtovaa ajatella, että universumi on rakenteeltaan pallopinta. Kulkiessamme mihin tahansa suuntaan sellaisella pinnalla, emme koskaan kohtaa reunaa tai päätepistettä vaikka pinta on äärellinen. Voi olla, että kolmiulotteinen avaruutemme on tuollainen pallopintana sulkeutuva tila, neliulotteisen pallon 3-ulotteinen pinta. Havaitsemamme galaksien sijainti ja jakautuma vastaisi tällöin pyöreän pallon pintaan piirrettyjen pisteiden jakautumaa.” DU-kirjat

26 The effect of local gravitation and motion on the rest energy Liikkeen ja gravitaation yhteisvaikutus massaobjektin lepoenergiaan The Finnish Society for Natural Philosophy: Models in physics and cosmology, Helsinki 27-28.9.2010T. Suntola Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2013

27 Sisäkkäisten energiakehysten systeemi homogeeninen avaruus gravitaatiokehykseen M 1 nähden homogeeninen avaruus gravitaatiokehykseen M 2 nähden M1M1 M2M2 M3M3 R1R1 homogeeninen avaruus gravitaatiokehykseen M 3 nähden The Dynamic UniverseT. Suntola

28 Minkä suhteen nopeus ja gravitaatiotila? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015 Maan energiakehys Laboratorion energiakehys ”Lepokello” aurinkoon nähden Pioneer luotain Auringon energiakehys

29 Sisäkkäisten energiakehysten järjestelmä Hypoteettinen homogeeninen avaruus The Dynamic UniverseT. Suntola ACSRQCAML DU-kirjat

30 Mistä suhteellisuudessa on kysymys? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Avaruuden kokonaisvaltainen tarkastelu energiasysteeminä suhteuttaa paikallisen kokonaisuuteen sisäkkäisten energiakehysten kautta. Suhteellisuus viestittää avaruuden kokonaisenergia äärellisyydestä.

31 Miten käy maailman kuuluisimman yhtälön Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Avaruuden energiaranteen huomioiden yhtälö tulisi kirjoittaa muotoon: missä on avaruuden R 4 -suuntainen nopeus on paikallinen 4D-nopeus (=paik. valon nopeus) on paikallinen lepomassa … mutkikkaampi, mutta se palauttaa ilmiöt luonnolliseen havaintotodellisuuteen, jossa aika ja paikka ovat yksiselitteisiä.

32 Seurauksia suhteellisuus- ja ekvivalenssiperiaatteesta Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Suhteellisuus- periaate Ekvivalenssi- periaate Kaukaisen kohteen koko nähdään suurentuneena Kaukaisen kohteen kirkkaus havainto ”siirretään kohteen lepokehykseen” Kiertoradat epästabiileja mustan aukon läheisyydessä Ajan käsite ongelmallinen Kaukoavaruus nähdään ”Euklidisena” Kellon ominaistaajuus määräytyyn kellon energiatilasta Energia- periaate Kiertoradat stabiileja kriittiseen säteeseen saakka Tarkka ennuste havaittavalle kirkkaudelle ilman lisä- parametrejä

33 Avaruus energiasysteeminä Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Avaruuden kokonaisvaltainen tarkastelu energiasysteeminä tuottaa tarkat ja yksinkertaiset kosmologiaennusteet ilman lisäparametreja, kuten pimeää energiaa. Se antaa myös ymmärrettävän kuvan energian rakentumisesta; massan lepoenergia on saatu avaruuden supistumisvaiheessa rakenteen gravitaatioenergiasta … … nyt käynnissä olevassa laajenemisvaiheessa ”energiavelka” maksetaan takaisin gravitaatiolle.

34 Liikkeen ja gravitaation nollaenergiatasapaino The Dynamic UniverseT. Suntola supistuminen Gravitaation energia Liikkeen energia aika laajeneminen supistuminenlaajeneminen

35 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110 Energiaperusteiseen tarkasteluun olisi ollut jokseenkin mahdoton päätyä 1910-luvun havainnoilla ja tiedoilla. Fysikaalisen todellisuuden uudelleenhahmotus on tullut mahdolliseksi suhteellisuusteorian, kvanttimekaniikan ja havaintotekniikan tuoman huiman tieteellisen kehityksen kautta. Onnittelut 100-vuotiaalle!