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. Muuttumattomalla nopeudella liikkuvan kappaleen sanotaan olevan inertiaalikoordinaatistossa. Jos vakionopeuksisia kappaleita on monia ja ne liikkuvat samaan suuntaan, ovat ne samassa inertiaalikoordinaatistossa. Jos inertiaalikoordinaatistoja on monia, ovat niiden kappaleiden ominaisuudet suhteellisia toisiinsa, ja ominaisuuksia voidaan verrata suppean suhteellisuusteorian avulla, josta nimi suhteellisuusteoria tulee. Teoria on suppea, koska se pätee vain inertiaalikoordinaatistoille, eikä siinä voi siten suhteellistaa kiihtyviä tai hidastuvia liiketiloja. Suppeassa suhteellisuusteoriassa jätetään huomiotta kappaleiden painovoiman luonne, joka yleisen suhteellisuusteorian mukaan aiheuttaa aika-avaruuden vääristymistä ja kaikki liike, myös kiihtyvä, on saatettu teoriassa silloin yleisesti suhteellistetuksi. Suppeassa suhteellisuusteoriassa vertaillaan inertiaalikoordinaatistojen kappaleiden ominaisuuksia, kuten suhteellista sijaintia, nopeutta ja liike-energiaa, Lorentz-muunnoksilla. Nämä ottavat huomioon aika-avaruuden muuttumisen, joka on merkittävää eritoten tyhjiön valonnopeutta lähellä olevissa suhteellisissa nopeuksissa. Klassisessa mekaniikassa käytetään samankaltaisia Galilei-muunnoksia, jotka eivät ota huomioon aika-avaruuden muutoksia. Klassista mekaniikkaa voidaan pitää siksi nykyään enää vain suhteellisuusteorian approksimaationa, jota voidaan soveltaa valoa paljon hitaammissa nopeuksissa. Suppean suhteellisuusteorian pääkohdat julkaistiin 1905 Annalen der Physik -tiedejulkaisun numerossa 10 Einsteinin artikkelissa Liikkuvien kappaleiden elektrodynamiikasta (saks. zur elektrodynamik bewegter körper). Samassa numerossa julkaistiin myös Einsteinin valokvantteja ja Brownin liikettä käsitelleet artikkelit. Suppeasta suhteellisuusteoriasta seuraa myös massan ja energian välisen yhteyden osoittava yhtälö E=mc². Yhtälö julkaistiin myöhemmin 1905 Einsteinin kirjoittamassa Annalen der Physikin artikkelissa Riippuuko kappaleen hitaus sen energiasta? (saks. Ist die trägheit eines körpers von dessen energieinhalt abhängig?). 1915 Einstein julkaisi toistaiseksi epävarman yleisen suhteellisuusteorian. Se on suppean suhteellisuusteorian yleispätevämpi laajennos, josta teorian nimi yleinen johtuu. Teorian avulla voidaan tarkastella muun muassa kiihtyvää tai hidastuvaa liikettä, painovoimaa, mustia aukkoja, aika-avaruuden kaareutumista ja maailmankaikkeuden kehitystä.