Yleinen suhteellisuusteoria 100 v

Esitys aiheesta: "Yleinen suhteellisuusteoria 100 v"— Esityksen transkriptio:

1 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Yleinen suhteellisuusteoria 100 v 16:15 Prof. 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. 17:10 Dos. 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. 18:00 Kahvitauko 18:20 TkT 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 Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110
Entä, jos Einsteinilla olisi ollut käytössään tämän päivän instrumentit, havainnot ja tiedot? Tuomo Suntola Suhteellisuusperiaate ja luonnonlait. Mitä kellojen käyttäytymisestä on havaittu sadan vuoden aikana? Mitä kvanttimekaniikka kertoo atomikellon ominaistaajuudesta? Liikkeestä gravitaatioon vai gravitaatiosta liikkeeseen? Ekvivalenssiperiaate vai energian säilyminen? Kosmologiset ennusteet.

3 Suppea suhteellisuusteoria 1905
Luonnonfilosofian seura 2015 Luonnonfilosofian seura 2015 Suppea suhteellisuusteoria 1905 Maxwellin yhtälöt ja valon nopeus pelastuvat, jos liike kutistaa atomia ja hidastaa aikaa (1899/1904) Hendrik Lorentz: Walter Kaufmann 1902 Henri Poincaré: Sähkömagneettinen massa E=mc2 Olinto De Pretto E=mc2 Suhteellisuusperiaate Valon nopeus vakio De Pretto's paper discussed the radioactive decay of uranium and thorium and was the first to conclude that this decay was energy transformation from mass into energy. “Matter uses and stores energy as inertia, just like a steam engine that uses the energy in steam and stores energy in inertia as potential energy”. By theorizing "vibration of the ether", De Pretto asserted that mass is vibrating energy and that mass and energy are therefore interchangeable. He then speculated that ordinary matter may be considered to be vibrating at the speed of light c. The definition of force here given is not advantageous, as was first shown by M. Planck. It is more to the point to define force in such a way that the laws of momentum and energy assume the simplest form.

4 Miten suhteellisuusteoria palauttaa Newtonin liikelain F=ma ?
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Suhteellisuusperiaate on fysikaalinen periaate, jonka mukaan fysiikan lait ovat samat kaikissa tasaisessa liikkeessä olevissa koordinaatistoissa. Miten suhteellisuusteoria palauttaa Newtonin liikelain F=ma ? v c t Newton: v = at v c t Havainnot (1902): SR: v c t’ Kaufman mittasi magneettista poikkeutusta (~1/mv) ja sähköstaattista poikkeutusta (~1/mv2). SR muodostui menestykseksi, sillä aikadilaatio toteutui myös atomikellojen ominaitaajudessa.

5 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Yleinen suhteellisuusteoria 100 v 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 Luonnonfilosofian seura 2015 Neljäs ulottuvuus – aika-avaruus Maxwellin yhtälöt ja valon nopeus pelastuvat, jos liike kutistaa atomia ja hidastaa aikaa (1899/1904) Hendrik Lorentz: ds2 = dx 2 +dy 2 +dz 2 – (icdt’)2 Henri Poincaré: Lorentz-muunnos voidaan kuvata koordinaatiston kiertona (1905) Herman Minkowski ”Minkowskin avaruus” (1908) Mikä matka kuljetaan aika-avaruuden koordinaatistossa, jolla on nopeus v0,1,2 havaitsijaan nähden? The definition of force here given is not advantageous, as was first shown by M. Planck. It is more to the point to define force in such a way that the laws of momentum and energy assume the simplest form. v0=0 0<v1<c 0≪v2<c

7 Suhteellisuusperiaate
Luonnonfilosofian seura 2015 Luonnonfilosofian seura 2015 Suhteellisuusperiaate A A B B The definition of force here given is not advantageous, as was first shown by M. Planck. It is more to the point to define force in such a way that the laws of momentum and energy assume the simplest form. Suhteellisuusperiaate Valon nopeus vakio

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

9 Minkä suhteen nopeus? Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015
1970s >> Global Positioning System (GPS) f e 1976 Gravity Probe A Hydrogen maser to km. Maser transmitter receiver f' f" 1971 (Hafele-Keating) Caesium-kellot lentokoneissa. 1960s Mössbauer kokeet ”Lepokello” laboratoriossa 1938 (Ives, Stilwell), ionisuihku (H2+, H3+) ”canal-ray” ”Lepokello” maapallon pyörimiseen nähden

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

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

12 Mitkä suureet määräävät atomikellon ominaistaajuuden
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Mitkä suureet määräävät atomikellon ominaistaajuuden Ominaistaajuus: Vetyatomin elektronin energiatilat: j is the "total angular momentum“ (impulssimomentti, pyörimismäärä) quantum number, which is equal to |ℓ ± 1⁄2| depending on the direction of the electron spin. Plankin vakio Hienorakennevakio

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

14 Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo 2015-1110
Planckin yhtälö Planckin yhtälö kuvaa energiaa, jonka yhden elektronin oskillaatio ”kvanttiantennissa” siirtää yhteen säteilyjaksoon. B q r E j z0

15 Mitkä suureet määräävät atomikellon ominaistaajuuden
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Mitkä suureet määräävät atomikellon ominaistaajuuden Atomikellon ominaistaajuus on suoraan verrannollinen valon nopeuteen! Ominaistaajuus: Vetyatomin elektronin energiatilat: j is the "total angular momentum“ (impulssimomentti, pyörimismäärä) quantum number, which is equal to |ℓ ± 1⁄2| depending on the direction of the electron spin. Planckin vakio Hienorakennevakio

16 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Yleinen suhteellisuusteoria 100 v 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 Aika-avaruus vai neliulotteinen liikemäärä Walter Kaufman Henri Poincaré: Lorentz-muunnos kuvattavissa koordinaatiston kierrolla Herman Minkowski ”Minkowskin avaruus” The definition of force here given is not advantageous, as was first shown by M. Planck. It is more to the point to define force in such a way that the laws of momentum and energy assume the simplest form.

18 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Yleinen suhteellisuusteoria 100 v 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 Sisäkkäisen liikesysteemit

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

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

22 Karl Schwarzschild ”Schwarzschildin avaruus”
Luonnonfilosofian seura 2015 Luonnonfilosofian seura 2015 Liikkeestä gravitaatioon: Ekvivalenssiperiaate Einstein – Minkowski - Schwarzschild Newtonin vapaan pudotuksen energia   r : Kineettistä energiaa on yhtä paljon kuin luovutettua potentiaalienergiaa Ekvivalenssiperiaate ainert = agrav Herman Minkowski ”Minkowskin avaruus” The definition of force here given is not advantageous, as was first shown by M. Planck. It is more to the point to define force in such a way that the laws of momentum and energy assume the simplest form. Karl Schwarzschild ”Schwarzschildin avaruus” r M

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

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

25 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.” ja edelleen ... “Kun vertaamme koko avaruuden gravitaatioenergiaa (GM 2/RH) avaruuden kaiken massan lepoenergiaan, Mc2, havaitsemme yllättäen, että GM 2/RH = 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”. DU-kirjat

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

27 Sisäkkäisten energiakehysten systeemi
The Dynamic Universe T. Suntola Sisäkkäisten energiakehysten systeemi homogeeninen avaruus gravitaatiokehykseen M1 nähden homogeeninen avaruus gravitaatiokehykseen M2 nähden homogeeninen avaruus gravitaatiokehykseen M3 nähden M2 M3 M1 R1

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

29 Sisäkkäisten energiakehysten järjestelmä
The Dynamic Universe T. Suntola Sisäkkäisten energiakehysten järjestelmä Hypoteettinen homogeeninen avaruus DU-kirjat A C M S R Q C A L

30 Mistä suhteellisuudessa on kysymys?
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Mistä suhteellisuudessa on kysymys? 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 Miten käy maailman kuuluisimman yhtälön Avaruuden energiaranteen huomioiden yhtälö tulisi kirjoittaa muotoon: missä on avaruuden R4-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 Seurauksia suhteellisuus- ja ekvivalenssiperiaatteesta Ajan käsite ongelmallinen Kaukaisen kohteen koko nähdään suurentuneena Suhteellisuus- periaate Kiertoradat epästabiileja mustan aukon läheisyydessä Kaukaisen kohteen kirkkaus havainto ”siirretään kohteen lepokehykseen” Ekvivalenssi- periaate Kellon ominaistaajuus määräytyyn kellon energiatilasta Kaukoavaruus nähdään ”Euklidisena” Energia-periaate Tarkka ennuste havaittavalle kirkkaudelle ilman lisä- parametrejä Kiertoradat stabiileja kriittiseen säteeseen saakka

33 Avaruus energiasysteeminä
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Avaruus energiasysteeminä 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 Universe T. Suntola Liikkeen ja gravitaation nollaenergiatasapaino supistuminen laajeneminen supistuminen Gravitaation energia Liikkeen energia aika laajeneminen DU-mallin kehittämiseen Suomen Akatemialta 1996 hakemaani apurahaan liittyvästä asiantuntija-lausunnosta 1996: ”Työn tavoite on naiivi ja perustuu liian yksinkertaiseen luonnon ilmiöitä kuvaavan teorian käsitykseen ... Irrelevantti Ei kontakteja muihin tutkijoihin, eikä matemaattisen fysiikan laajempaa tuntemusta ... Merkittäviä tuloksia ei ole odotettavissa Ei myönnetä tukea.”

35 Yleinen suhteellisuusteoria 100 v
Luonnonfilosofian seura, Tieteiden talo Yleinen suhteellisuusteoria 100 v 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!