Absoluuttinen ja relativistinen avaruus

Erilaiset teoriat avaruudesta voidaan jakaa karkeasti absoluuttisiin ja relativistisiin. Keskustelu ab-soluuttisesta ja relativistisesta avaruudesta alkoi historiallisesti Newtonin ja Leibnizin avaruuden luonnetta koskevista näkemyseroista. Newton oli sitä mieltä, että avaruus on absoluuttinen, liikku-maton, muuttumaton ja jakamaton. Hänen mukaansa kappaleet sijaitsevat avaruudessa, ja avaruus määrittää niiden liikkeen, nopeuden ja välimatkan. Leibniz taas ajatteli, että avaruutta itsessään (erillisenä kappaleista) ei ole olemassa, vaan kappaleiden nopeudet ja liike on vain suhteellista mui-hin kappaleisiin nähden. Absoluuttista avaruutta ei siis Leibnizin mukaan ole olemassa.

Esimerkiksi Richard Swinburne (1968, 50) määrittelee absoluuttisen ja relativistisen avaruuden seuraavasti: ”Absolute Space is thus Space, the places constituting which are reidentified by the frame of reference which does not really move. Relative Space is Space, the places constituting which are reidentified by a frame of reference which does really move.” Absoluuttista avaruutta koskevassa keskustelussa voidaan siis nähdä olevan kyse viitekehyksen ensisijaisuudesta. Absoluut-tisen avaruuden kannattajat ovat sitä mieltä, että absoluuttinen avaruus on ensisijainen viitekehys, johon nähden kappaleet liikkuvat, mutta relativistien mukaan tällaista viitekehystä ei ole. Modernis-sa kielessä absoluuttisen avaruuden voidaan ymmärtää tarkoittavan eetteriä, joka täyttää avaruuden, ja jossa kappaleet liikkuvat. Eetteri olisi tällöin ensisijainen viitekehys, joka ei liiku, mutta jossa kappaleet liikkuvat.

Klassisissa teorioissa aikaa on tavallisesti ajateltu aina absoluuttisena. Myös Newtonin ja Leibnizin teorioissa ajan käsittely jääkin hyvin vähälle huomiolle, sillä sitä pidettiin ongelmattomana asiana.

Esimerkiksi kaikissa Earmanin (1989, luku 2) esittelemissä¹ klassisissa aika-avaruuksissa aika on absoluuttinen, ja aika-avaruus voidaan jakaa aikaviipaleisiin, joissa kaikki tapahtumat ovat saman-aikaisia. Tämä aikaviipaleisiin jakaminen osoittautuu kuitenkin mahdottomaksi suhteellisuusteoriaa käsiteltäessä, ja ajan absoluuttisuuteen ja suhteellisuuteen palataankin syvemmin myöhemmin. Täs-sä yhteydesTäs-sä sanottakoon vain, että klassiset teoriat ajasta ja avaruudesta olettivat kaikki ajan ole-van absoluuttinen.

Newton käyttää termiä absoluuttinen liike kuvaamaan kappaleen liikettä suhteessa absoluuttiseen avaruuteen (tai eetteriin). Yksi hänen argumenttinsa absoluuttisen avaruuden olemassaolon puolesta vetoaakin juuri siihen, että kappaleella ei voi olla absoluuttista liikettä, jollei ole olemassa absoluut-tista avaruutta. Hänen mukaansa on eroteltava näkyvä liike, joka on suhteellista liikettä muihin kap-paleisiin nähden ja todellinen liike, joka on absoluuttista liikettä. Jos tämä ”todellinen” liike halu-taan säilyttää, niin absoluuttinen avaruus on postuloitava. (Van Fraassen 1970, 110–111.) Relativis-tisten teorioiden mukaan tällaista absoluuttista liikettä ei kuitenkaan ole olemassa, vaan kaikki liike

1 Earman (1989, luku 2) jakaa klassiset aika-avaruudet Machilaiseen (absoluuttinen samanaikaisuus ja Eukli-dinen kolmiulotteinen avaruus), Leibniziläiseen (Machilainen + ajan metriikka), Maxwellillaiseen (Leibnizi-läinen + kiertoliikkeen standardi viitekehys), uus-Newtonilaiseen (Maxwellilainen + absoluuttinen kiihty-vyys), Newtonilaiseen (uus-Newtonilainen + absoluuttinen avaruus) ja Aristoteeliseen (Newtonilainen + avaruuden keskipiste) aika-avaruuteen.

on vain suhteellista toisiin kappaleisiin nähden. Täten relativististen teorioiden ei ole tarpeellista postuloida myöskään absoluuttista avaruutta.

Toinen Newtonin argumentti perustuu kiihtyvyyden käsitteeseen. Jos kaksi kappaletta on toisiinsa nähden kiihtyvässä liikkeessä, niin ainakin toiseen näistä kappaleista on Newtonin mukaan kohdis-tuttava jokin voima, joka saa aikaan liikkeen kiihtyvän nopeuden. Tämä kappale, johon voimat kohdistuvat, on Newtonin mukaan kiihtyvässä liikkeessä myös absoluuttisen avaruuden suhteen.

Newtonilaisessa fysiikassa kappaleet säilyttävät nopeutensa (tai pysyvät paikallaan), jos niihin ei kohdistu mitään voimia, joten todellisen kiihtyvän liikkeen on oltava seurausta jostakin voimasta, joka kohdistuu kappaleeseen. Täten siis Newtonin mukaan kiihtyvä liike on todellista (absoluuttis-ta) liikettä, eli suhteessa absoluuttiseen avaruuteen. Lisäksi koska se johtuu kappaleeseen kohdistu-vista voimista, niin sen mukana havaitaan tiettyjä voimavaikutuksia (force effect). Tällaisia voima-vaikutuksia on esimerkiksi keskipakoisvoima, jota esiintyy pyörimisliikkeessä olevissa kappaleissa.

Nyt siis Newtonin mukaan pyörimisliikkeen on oltava absoluuttista liikettä, koska siinä esiintyy edellä mainittuja voimavaikutuksia. (Van Fraassen 1970, 111–112.) Koska taas absoluuttinen liike vaatii absoluuttisen avaruuden, niin kiihtyvä liike (ja sen mukana havaitut voimavaikutukset) selit-tyvät vain absoluuttisen avaruuden avulla.

Newtonin oma esimerkki koskien pyörimisliikettä absoluuttisena liikkeenä on seuraavanlainen:

Kuvitellaan, että universumissa on vain kaksi planeettaa, joita pitää tietyn välimatkan päässä toisis-taan jonkinlainen köysi. Jos nämä kaksi planeettaa pyörivät yhteisen keskipisteen ympäri, niin tähän köyteen kohdistuu jokin voima, joka näkyy köyden jännittyneisyytenä. Täten molempiin planeet-toihin kohdistuu tietty voima, joka työntää planeettoja poispäin tästä yhteisestä painovoiman keski-pisteestä. Tästä voimasta seuraa köyden kireys, ja siitä voidaan myös laskea näiden planeettojen absoluuttisen pyörimisliikkeen nopeus. (Newton 1934, 12.) Absoluuttinen avaruus voidaan Newto-nin mukaan siis todistaa olemassa olevaksi esimerkiksi pyörimisliikkeen avulla. Nämä kaksi pla-neettaa eivät ole suhteellisessa liikkeessä toisiinsa nähden, vaan niiden välimatka pysyy aina sama-na. Silti niihin kohdistuu voimia, jotka ilmenevät köyden kireytenä, ja nämä voimat ilmentävät to-dellista – absoluuttista – liikettä suhteessa absoluuttiseen avaruuteen. Koska tällaisia voimia havai-taan esimerkiksi pyörimisliikkeen tapauksessa myös normaalissa (tähtien ja planeettojen kansoit-tamassa) universumissa, niin Newtonin mukaan absoluuttisen avaruuden on oltava olemassa. Vain absoluuttisen avaruuden avulla voidaan selittää havainnot tällaisista voimista ja voimavaikutuksista.

Nyt on kuitenkin ensisijaisen tärkeää huomata, että vaikka tällaisia voimia havaitaan normaalisti, niin ei voida tietää, havaittaisiinko niitä Newtonin esimerkin erikoistapauksessa. Voimien syntymi-nen vaatii planeettojen kiertoliikkeen, mutta tällaista liikettä ei ole mahdollista käsittää tyhjässä avaruudessa, mikäli kaksi planeettaa on toisiinsa nähden paikallaan. Jos siis kiertoliike ei ole mah-dollinen, niin myöskään mitään voimavaikutuksia ei synny, eikä Newtonin argumentti ole pätevä.

Leibnizin kanta olikin se, että normaalissa tapauksessa universumin tähtien pysyminen suhteellisen paikallaan kiertoliikkeessä olevaan kappaleeseen nähden saa aikaan edellä mainitut voimavaikutuk-set. Paikallaan pysyvät tähdet (universumin massa) siis synnyttävät viitekehyksen, joka vaikuttaa absoluuttiselta avaruudelta. Relativistisen avaruuden kannattaja tarvitsee siis esimerkiksi absoluutti-sen kiihtyvyyden ja voimavaikutuksien selittämiseen vain jonkin paikallaan pysyvän viitekehykabsoluutti-sen (kuten paikallaan pysyvät tähdet), joka toimii absoluuttisen avaruuden korvaajana. (Van Fraassen 1970, 113–115.)

Ainakaan täysin vedenpitäviä todisteita Newton ei siis pysty antamaan absoluuttisen avaruuden puolesta, vaan näyttää siltä, että kaikki tähän asti havaitut ilmiöt pystytään selittämään myös ilman absoluuttista avaruutta. Relativistiset teoriat olivat kuitenkin vielä pitkään Newtonin ja Leibnizin keskustelun jälkeenkin altavastaajia aika-avaruuden teorioiden joukossa. Seuraavaksi esitellään kuitenkin kaksi kokeellista tulosta (pituuskontraktio ja aikadilataatio), jotka näyttävät antavan todis-tusaineistoa absoluuttista avaruutta vastaan.