Suhteellisuusteoria Suhteellisuusteoriaa on mahdoton edes yrittää ymmärtää, ellei ota ensin selkoa valon ominaisuuksista. Valon äärellinen nopeus oli tunnettu jo 1600-luvulta asti, kun Ole Roemer huomasi Jupiterin kuiden liikkeissä havaittujen vaihteluiden aiheutuvan valon äärellisestä nopeudesta. Roemer onnistui jopa määrittämään valonnopeuden varsin hyvällä tarkkuudella. Valonnopeuden tarkempi mittaaminen tuli mahdolliseksi vasta, kun Thomas Young oli todistanut valon olevan aaltoliikettä. Aaltoliikkeelle on tyypillistä ns. Interferenssi-ilmiö. Kun kaksi aaltoa kohtaa, ne vahvistavat toisiaan, jos niiden huiput ja pohjat osuvat kohdalleen. Tällöin aallot ovat samassa vaiheessa. Toisaalta, jos aallot ovat vastakkaisessa vaiheessa ne voivat sammuttaa toisensa. Vaihe-eroja on pystytty mittaamaan varsin tarkasti jo 1800-luvulta, ja kahden valonsäteen vaihe-eron avulla on mahdollista määrittää valonnopeus. Toinen suhteellisuusteorian ymmärtämiseen tarvittava fysiikan osa-alue on sähkömagnetismi. Sähkön ja magnetismin teorian luominen 1800-luvulla oli modernin fysiikan todellinen alku. Fysiikka oli tuohon asti käsitellyt konkreettisia kappaleita ja niiden mekaniikkaa: planeettojen kiertoliikettä, putoavia ja lentäviä kappaleita ja muuta vastaavaa. Sähkömagnetismi antoi teorian näkymättömälle, mutta hyvin todelliselle ilmiölle. Valo on sähkömagneettisia aaltoja Suuri oivallus, jonka mm. André Ampere ja Michael Faraday 1800-luvun alussa tekivät, oli että sähkö ja magnetismi ovat saman ilmiön eri muotoja. 1860-luvun puolivälissä James Clerk Maxwell rakensi sähkön ja magnetismin teorian täydelliseen muotoon. Maxwellin yhtälöt kytkivät sähkö- ja magneettikentät sekä toisiinsa että sähköisesti varattujen hiukkasten paikkoihin ja liikkeeseen. Ne kertovat mm. että sähköisesti varatut kappaleet synnyttävät sähkökentän, ja jos varaukset sen lisäksi liikkuvat, ilmestyy magneettikenttä. Maxwellin teorian täydensi Hendrik Antoon Lorentz, joka rakensi liikeyhtälöt varatuille kappaleille sähkö- ja magneettikentässä. Mutta ei tässä vielä kaikki. Maxwell oivalsi, että hänen yhtälöistään on johdettavissa aaltoyhtälö. Värähtelevät varaukset aiheuttavat etenevän sähkö- ja magneettikentästä koostuvan aallon. Yhtälöistä voidaan myös todistaa, että syntynyt aalto etenee valonnopeudella. Ja katso, tosiaan kokeellisesti havaittiin, että valo koostuu toisiinsa kytketyistä sähkö- ja magneettikentästä jotka värähtelevät samalla taajuudella ja samassa vaiheessa. Pian oivallettiin, että myös lämpösäteily on samankaltaista sähkömagneettista säteilyä kuin näkyvä valo. Lisäksi Heinrich Hertz onnistui tuottamaan ja vastaanottamaan sähkömagneettista aaltoa jaksollisesti antennissa värähtelevällä varauksella. Radion, kännykän ja television fysiikka oli syntynyt. Faradayn työ on perusta sähköiselle teolliselle vallankumoukselle, ja Maxwellin teoria on modernin fysiikan peruskallio. Sen merkitystä tieteelle on mahdotonta korostaa liikaa. Hyvä tieteellinen teoria paitsi kuvaa hyvin luonnonilmiöitä, myös herättää jatkokysymyksiä. Tarvitseeko valo väliaineen Yksi aivan järkevä kysymys oli, tarvitseeko sähkömagneettinen aalto väliaineen? Ääni oli myös aaltoliikettä ja tiedettiin, että ääni etenee nimenomaan väliaineen värähtelyinä. Toinen kysymys liittyi havatsijan liiketilaan. Massallisten kappaleiden liikettä kuvaava klassinen mekaniikka pystyttiin muotoilemaan siten, että mekaniikan lait johdonmukaisesti säilyivät siirryttäessä ns. inertiaalikoordinaatistosta toiseen. Tämä tarkoittaa, että toisiinsa nähden vakionopeudella liikkuvat havaitsijat pystyivät vertaamaan havaintojaan niin, että mekaniikan liikeyhtälöt säilyttivät
muotonsa. Maxwellin yhtälöiden tapauksessa tilanne oli ongelmallinen. Yhtälöt näyttivät muuntuvan oudosti jos niitä yritettiin muuntaa havatsijalta toiselle sopiviksi. Ratkaisu näihin probleemiin oli eetteri, maailmankaikkeudessa taustalla vaikuttava väliaine tai taustarakenne, johon sähkömagneettismin teoria voitiin sitoa. Valonnopeus oli vakio eetterin suhteen, mutta muuttuisiko se, jos liikuttaisiin eetteriin nähden. Lorentz kehitteli Maxwellin yhtälöiden muunnosominaisuuksia eetterihypoteesiin nojautuen, ja johti samalla tulevan suhteellisuusteorian keskeisiä matemaattisia rakennelmia. Lorentz jopa johti teoriat, että eetteriin nähden liikuttaessa mitatut etäisyydet lyhenevät, ja toisaalta eetteriin nähden liikkuva kello käy hitaammin kuin eetteriin sidottua universaalia aikaa käyvä kello. Ironista on, että Lorentzin johtamat paikan ja ajan muunnokset ovat oikein ja toimivat. Lorentzin tulkinta vain oli juuttunut eetterihypoteesiin. Michelson ja Morley eivät havainneet eetteriä Tieteen historian merkittävin negatiivinen tulos saatiin Michelsonin ja Morleyn kokeessa, jossa he mittasivat valonnopeutta kahteen suuntaan. Ajatus oli, että maapallon kiertoliikkeen ratanopeus olisi riittävän suuri, jotta eetteriin verrattuna valonnopeuden poikkeama olisi mitattavissa. Tällaista poikkeamaa ei kuitenkaan havaittu. Eetteriä ei löytynyt. Tämä tulos merkitsi, että valon nopeus oli sama riippumatta valolähteen tai havaitsijan nopeudesta. Oikeastaan Lorentzin muunnosyhtälöt säilyttivät valonnopeuden vakioisuuden. Toisaalla suuri ranskalainen matemaatikko Henri Poincare johti Lorentzin teorioihin perustuvan nopeuksien yhteenlaskukaavan, jonka mukaan mikään ei voi edetä valoa nopeammin. Tämän lausekkeen oli tosin johtanut muutamia viikkoja aiemmin itsenäisesti berniläisessä patenttitoimistossa työskentelevä fyysikko, jolta vuoden 1905 aikana ilmestyi kolmesta aiheesta viisi artikkelia. Yksikin olisi tehnyt hänestä tiedemaailmassa tunnetun. Samanaikaisuuden probleema Albert Einstein lähti tarkastelemaan valon ja sähkömagneettismin probleemaa eri näkökulmasta kuin eetterihypoteesin kanssa painineet edeltäjänsä. Lähtökysymyksenä on, mitä on samanaikaisuus? Jos huippunopean junan ohittaessa asemalaiturin salama iskee junan etu- ja takapäähän yhtaikaa, mitä tämä tarkoittaa, ja kenen näkökulmasta? Oletetaan, että laiturilla istuskeleva matkustaja havaitsee salamaniskut samanaikaisiksi. Tieto tapahtumasta on tullut hänelle valonnopeudella, joten hänen kannaltaan junan etuja takapää ovat olleet sellaisella etäisyydellä hänestä, että tieto on saavuttanut hänet yhtaikaa. Mutta miltä tilanne näyttää junan puolivälissä istuvasta matkustajasta? Jos juna seisoisi asemalla, hän näkisi molemmat välähdykset yhtaikaa. Mutta koska juna etenee, tieto etupäähän kohdistuneesta salamaniskusta saavuttaa hänet ensin ja tieto loppupäästä tulee myöhemmin. Toisaalta molemmista päistä saapuva valo tulee häntä kohti samalla nopeudella ja matka kummastakin päästä on sama, joten salaman on täytynyt iskeä ensin junan etupäähän. Tapahtumien samanaikaisuus ei siis ole objektiivinen, vaan riippuu havaitsijan liikkeestä. Tämä merkitsee, että aika ei myöskään kulu yleispätevää tahtia. Meidän mielestämme liikkuva kello näyttää käyvän hitaammin, kuin meidän oma kellomme. Toisaalta liikkuessamme nopeasti, ympäröivä maailma näyttää litistyvän liikkeen suunnassa.
Aikavälit ja etäisyydet siis riippuvat siitä, kenen näkökulmasta asiaa katsotaan. Kuitenkin tarkasteltaessa maailmaa neliulotteisena ajan ja avaruuden yhdistelmänä, voidaan määrittää jotain havaitsijasta riippumatonta. Neliulotteisessa aikaavaruudessa tapahtumien välinen etäisyys määritellään niiden aikavälin ja avaruudellisen etäisyyden yhdistelmäjnä. Neliulotteisen avaruuden etäisyydet ovat havaitsijasta riippumattomia. Useat kolmiulotteisen avaruuden suureet voidaan yleistää neliulotteisiksi siten, että saadaan aikaan säilyviä, yleispäteviä, havaitsijasta riippumattomia mitattavia suureita. Annus Mirabilis 1905 Eli suhteellisuusteoria ei tarkoita, että kaikki olisi suhteellista. Oikeasti se on pikemminkin teoria invariansseista - pysyvistä ominaisuuksista. Olihan koko teorian lähtökohtana valonnopeuden muuttumattomuus, ja Maxwellin yhtälöiden säilyminen vaikka liiketila muuttuisi. Mutta Einsteinia ei pidettäisi tieteen suurimpana nerona, jos hän olisi pelkästään johtanut Lorentzin yhtälöt uudesta näkökulmasta. Rohkea, mutta paikkansapitäväksi osoittautunut olettamus oli, että kaiken fysiikan olisi noudatettava samaa suhteellisuusperiaatetta. Klassista mekaniikkaa oli siis korjattava siten, että Lorentzin muunnosyhtälöt säilyttäisivät myös mekaniikan lait muuttumattomina. Einsteinin Annus Mirabilisin -ihmeiden vuoden- suurin saavutus oli, että kaksi valtavaa fysiikan perusteoriaa taipuivat noudettamaan samaa periaatetta; sekä sähkömagnetismi että klassinen mekaniikka säilyttivät muotonsa Lorentzin muunnoksissa. Ihmeiden vuoden kuuluisin julkaisu oli Zur Elektrodynamik bewegter Körper, jossa Einstein esitteli ajan ja paikan muunnosyhtälöt liikkuvasta koordinaatistosta toiseen, Maxwellin-Lorentzin yhtälöiden muunnokset, suurten nopeuksien yhteenlaskukaavat sekä liikkuvasta lähteestä tulevan valon aallonpituuden muuttumisen. Suhteellisuusteoria oli julkaistu. Tärkeimmät seuraukset erityisestä suhteellisuusteoriasta olivat ajan hidastuminen eli aikadilaatio ja etäisyyksien kutistuminen eli pituuskontraktio. Niistä voitiin johtaa Dopplerin ilmiö valolle: lähestyvän valolähteen aallonpituus lyhenee ja loittonevan lähteen aallonpituus kasvaa. Aivan kuten lähestyvän ambulanssin ääni nousee ja loittonevan madaltuu. Koska punaisella valolla näkyvän valon alueella pitkä aallonpituus ja sinisellä lyhyt, sanotaan loittonevasta lähteestä tulevan valon olevan punasiirtynyttä ja lähestyvän sinisiirtynyttä. Samana vuonna Einstein julkaisi toisen suhteellsuusteoriaa käsittelevän artikkelin, jossa hän sovitti klassisen mekaniikan suhteellisuusperiaatteeseen. Tämä julkaisu antoi aivan kuin sivutuotteena maailman kuuluisimmaksi kaavaksi nousseen yhtälön E= mc2. Tieteentekijän näkökulmasta katsottuna kaavan maine on suuresti ylimitoitettu, mutta ehkäpä se ytimekkyydessään sopii eräänlaiseksi fysiikan logoksi. Kaksosparadoksi ja erityinen suhteellisuusteoria Vuosi 1905 oli siis erityisen suhteellisuusteorian vuosi. Erityinen suhteellisuusteoria piti paikkansa ns. Inertiaalikoordinaatistossa. Tämä tarkoittaa, että tarkkailuija liikkuu vakionopeudella (tai on tietenkin paikallaan omassa koordinaatistossaan). Mutta mitä, jos oltiin kiihtyvässä liikkeessä. Einsteinin suhteellisuusperiaate ei ilmeisestikään toiminut tällaisessa tapauksessa. Olihan jo klassisessa mekaniikassa tunnettua, että Newtonin lait eivät olleet samaa muotoa inertiaaliselle ja ei-inertiaaliselle havaitsijalle. Kiihtyvän koordinaatiston problematiikkaan liittyy ns. Kaksosparadoksi. Tarkastellaan kaksosia Annaa ja Berttaa, joista Anna on astronautti ja Bertta vaikkapa teoreettinen kosmologi. Jos Anna lähtee 30-vuotissyntymäpäivänään
avaruusmatkalle raketilla, jonka nopeus on 90% valonnopeudesta, hänen ja Berttan kellot eivät suinkaan käy samaan tahtiin. Anna lähettää sekunnin välein signaalia Berttalle, joka aikadilaation ansiosta mittaa signaalien väliksi 2.3 sekuntia. Eli Berttan mielestä Annan kello käy hitaammin kuin hänen kellonsa. Toisaalta, jos Bertta lähettää signaalia sekunnin välein, ottaa Anna niitä vastaan 2.3 sekunnin jaksolla, sillä Bertta näyttää liikkuvan 90% valonnopeudesta suhteessa Annaan. Kun Anna sitten palaa maanpinnalle heidän yhteisenä 50-vuotispäivänään, viettää ainoastaan Bertta pyöreitä vuosia. Kotiin palaavan Annan ikä onkin ainoastaan vajaa 39 vuotta! Tämä on ristiriidassa sen kanssa, että kumpikin näkee toisensa loittonevan tai lähenevän yhtäsuurella nopeudella. Paradoksin ratkaisu on, että Annan on pakko kiihdyttää ja jarruttaa rakettiaan matkansa aikana. Annaan kohdistuvat raketin työntövoimat eivät vaikuta Berttan liikkeeseen, ainoastaan Annan liikkeeseen (ja raketin poistokaasujen). Anna ei siis liiku inertiaalikoordinaatistossa. Yleisen suhteellisuusteorian monimutkainen rakenne Suhteellisuusteorian laajentaminen ei-inertiaalisiin systeemeihin ei ollut helppoa, eikä sen omaksuminen ole vaivatonta nykypäivänkään fyysikoille, vaikka heidän ei tarvitse enää keksiä kaikkia vipusia uudelleen. Kaikki painovoimakentässä ylöspäin kiipeävä joutuu tekemään työtä, tai sitten se menettää alkuperäistä liike-energiaansa. Mikäli heitän kiven ilmaan, sen nopeus hidastuu kunnes kaikki liike-energia on kulutettu ja kivi alkaa pudota taas alaspäin. Ilmeisesti jo suhteellisen pian vuoden 1905 jälkeen Einstein ymmärsi, että myös painovoimakentästä pakeneva valonsäde menettää energiaansa. Toisaalta Einstein oli itse ollut todentamassa säteilyn taajuuden ja energian yhteyttä E = hf, missä säteilykvantin energia on taajuus kerrottuna Planckin vakiolla. Säteilyn taajuus siis määrää sen liike-energian. Mikäli valonsäde menettää liike-energiaansa noustessaan painovoimaa vastaan, sen taajuus alenee eli aallonpituus kasvaa. Tämä tarkoittaa, että gravitaatio aiheuttaa samantyyppisen aallonpituuden kasvamisen kuin valolähteen loittoneminen. Ilmiötä kutsutaan gravitaatiopunasiirtymäksi. Painovoimakenttää alaspäin lasketteleva valonsäde kokee vastaavasti sinisiirtymän. Erityisessä suhteellisuusteoriassa punasiirtymät ja sinisiirtymät seurasivat aikadilaatiosta ja pituuskontraktiosta. Ilmeisesti siis gravitaatio aiheuttaa myös samat ilmiöt. Tällainen yleinen pohdiskelu ei vielä käy tieteellisestä teoriasta. Pitäisi löytää matemaattisesti pitävä teoria, mutta sitä varten tarvitaan jatkokysymyksiä. Vapaasta putoamisesta ekvivalenssiperiaatteeseen Miltä tuntuu vapaa putoaminen? Tämä kysymys johtaa oikeille jäljille yleistettäessä suhteellisuusteoriaa vakionopeudesta kiihtyvään liikkeeseen. Vapaasti putoava ihminen tuntee painottomuuden, koska mikään tukivoima ei kumoa gravitaatiota. Tai ajatellaan asiaa toisinpäin. Ihminen joka seisoo paikallaan olevassa hississä henkilövaa'an n päällä, painaa saman verran kuin omassa makuuhuoneessaan. Jos hissi lähtee liikkeelle kiihtyvällä vauhdilla, vaa'an lukema nousee, eli paino tuntuu kasvavan. Jos hissi on suljettu, ainoastaan terve järki kertoo meille, että lukeman nousu johtuu hissin kiihtyvyydestä. Mutta mikään mittausmenetelmä ei paljasta meille, johtuuko painon kasvu kiihtyvyydestä vai gravitaation voimistumisesta. Painovoima ja kiihtyvyys ovat siis vaikutuksiltaan samanarvoisia, niinpä fysiikan laeissa ne vastaavat toisiaan. Tämä voiman ja kiihtyvyyden samaistaminen on yleisen suhteellisuusteorian ekvivalenssiperiaate.
Tarkastellaan seuraavaa ajatusketjua: kaksi henkilöä, jotka liikkuvat toisiinsa verrattuna vakionopeudella mittaavat erilaista aikaa ja erimittaisia etäisyyksiä. Ilmeisesti myös kiihtyvä liike saa aikaan saman tyyppisiä eroja mitatuissa ajoissa ja etäisyyksissä. Jos painovoima ja kiihtyvyys vastaavat toisiaan, pitäisi painovoiman vaikutus aikaan ja etäisyyksiin olla jotenkin yleistettyä muotoa vakionopeuksien aikaansaamista eroista. Ja tässä kohden asiat kävivät monimutkaisiksi, ja Einstein tarvitsi matemaattisella puolella toisten apua. Pysähdytään hetkeksi pohtimaan neliulotteisen avaruuden metriikkaa. Tämä kuulostaa pelottavalta, mutta periaatteessa metriikka ei ole muutta kuin aikavälien ja etäisyyksien mittaamista. Tarvitsemme vain sekuntikellon ja mittanauhan! Ja muistetaan vielä, että kahden tapahtuman etäisyys neliavaruudessa muodostuu tapahtumien aikavälistä ja avaruudellisesta etäisyydestä. Sekuntikellolla mitataan etäisyyttä ajan suuntaan ja mittanauhalla paikan suuntaan. Tampereelta Helsinkiin suuntautuvan junamatkan alun ja lopun etäisyys on n. puolitoista tuntia (tai valotuntia pituuden yksiköissä) ajan suuntaan ja 180 kilometria avaruudelliseen suuntaan. Nyt metriikka riippuukin siitä millaista kelloa ja mittanauhaa kukin havaitsija käyttää. Kun yhdessä vertailemme mittausvälineitämme Tampereen rautatieasemalla, kellomme käyvät samaan tahtiin ja mittanauhat ovat yhtä pitkiä. Tilanne muuttuu kun juna lähtee liikkeelle: Tampereelle jäävän henkilön mielestä junassa istuvalla matkustajalla on hitaampi kello ja lyhyempi mittanauha. Painovoima on avaruuden kaareutumista. Painovoimakenttä vaikuttaa samalla tavalla. Mitä voimakkaampi gravitaatio, sitä hitaampia ovat sekunnit ja lyhyempiä metrit. Tieteellisemmin sanottuna gravitaatio ilmenee avaruuden metriikan vääristymisenä siten, että ulkopuolisen tarkkailijan mielestä aika kuluu gravitaatiokentässä hitaammin ja etäisyydet lyhenevät. Tätä kutsutaan neliulotteisen avaruuden kaareutumiseksi. Me itse koemme joka tapauksessa sekuntimme ja metrimme normaalin mittaisina, mutta jos lähetämme tähtien väliseen avaruuteen signaalia vaikkapa sekunnin välein, mittaa avaruuden älyllistä elämää etsivä alieni väliajan hieman pidemmäksi. Suomalainen välinäytös Yleinen suhteellisuusteoria on siis painovoiman teoria. Gravitaation ja avaruuden metriikan välisen yhteyden matemaattinen muotoilu oli vuosien haaste Einsteinille ja apua hän sai mm. Marcel Grossmannilta. Painovoiman teoriaa oli väännetty sähkömagneettismin rakenteisiin sopivaksi jo edellisen vuosisadan lopulta asti. Einsteinin teorian vakavimpiin haastajiin kuului mm. suomalaisen Gunnar Nordströmin teoria, johon Einstein useasti viittasi pohtiessaan erityinen suhteellisuusteorian ja gravitaatioteorian sovittamista. Nordströmin teoria ei lopulta osoittautunut oikeaksi, mutta kahteen asiaan Nordströmillä oli vaikutusta. Hän oli ensimmäinen, joka esitti useamman kun neljän ulottuvuuden käyttöä painovoiman ja sähkömagnetismin yhtenäisteorian muodostamisessa. Idea eli muutamaa vuotta myöhemmin Kaluzan ja Kleinin teorioissa, mutta unohtui sitten, kunnes viime vuosikymmeninä on etsitty kaikkien vuorovaikutusten yhtenäisteoriaa nimenomaan tällaisista moniulotteisista avaruuksista. Grossmannin ja Einsteinin yhteistyö lopulta tuottii monimutkaisen mutta johdonmukaisen tensoriteorian, jossa gravitaatio esiintyi neliulotteisen avaruuden metriikkana, kymmenenä terminä, jotka kertoivat miten aikavälejä ja etäisyyksiä mitataan gravitaatiokentässä. Avaruuden metriikkaa kuvaavat Einsteinin kenttäyhtälöt ratkaisi ensimmäisenä Schwarzschild pallonmuotoisen kappaleen gravitaatiolle. Kun teoria oli valmis, oli sen yhteys todellisuuteen testattava. Auringonpimennys toi kuuluisuuden
Kolme tärkeintä mitattavaa yleisen suhteellisuusteorian seurausta olivat gravitaatiopunasiirtymä, planeettojen ellipsin muotoisen radan vähittäinen kiertyminen ja valonsäteen kaartuminen voimakkaassa gravitaatiokentässä. Palataan gravitaatiopunasiirtymiin mustia aukkoja tarkastellessa, ne eivät olleet ajankohtaisia 1910-luvulla. Merkuriuksen aurinkoa lähimmän planeetan - radan oli havaittu kiertyvän. Selitykseksi oli haettu mm. auringon lähellä kiertävää ylimääräistä planeetta Vulkanusta (jota ei ole löydetty). Merkuriuksen liikkeeseen sovellettiin Einsteinin teoriaa, ja todettiin kiertymän vastaavan Merkuriuksen radan havaittua kiertymään. Tällainen poikkeama ellipsin muotoisesta radasta on oleellinen vain, jos gravitaatio on riittävän voimakas. Siksi muut planeetat liikkuvat vähemmän monimutkaista reittiä. Yleinen suhteellisuusteoria ennusti myös, että kaukaisesta tähdestä tulevan valonsäteen pitäisi kaartua hieman auringon lähellä. Ennustus voitaisiin todentaa auringonpimennyksen aikaan. Tämän testaaminen osoittautui melkoiseksi seikkailuksi, ja yllättävää kyllä ensimmäisen maailmansodan tuoma viivästys tulikin olemaan onneksi Einsteinin teorian todentamiselle. Näin kaikesta muusta traagisuudesta huolimatta. Auringonpimennys tarjoaa mahdollisuuden havaita tähtiä, jotka ovat taivaalla näennäisesti auringon lähellä. Mikäli kaukaisesta tähdestä tuleva valonsäde kaartuu auringon ohittaessaan, sen paikka taivaalla näyttäisi olevan hieman ennakoitua loitompana auringosta. Oikeastaan, jopa hieman auringon takana oleva tähti voitaisiin nähdä säteen kaartumisen ansiosta. Einstein laski ensin väärin tähtien paikan poikkeaman vuonna 1913. Hän korjasi laskelmiaan vuoteen 1916 mennessä, jolloin oli jo menossa ensimmäinen maailmansota. Syksyllä 1914 lähti saksalainen retkikunta tekemään teoriaa testaavaa mittausta Krimille. Kun tutkijat pääsivät perille, syttyi sota, ja retkikunta internoitiin. Sittemmin heidät vaihdettiin sotavangeiksi jääneisiin venäläisiin upseereihin. Vasta sodan päätyttyä englantilaisen Arthur Eddingtonin retkikunta teki kauan odotetut mittaukset. Pitkään ja hartaasti analysoituaan mittaustuloksia, Eddington julisti Kuninkaallisen tiedeseuran kokouksessa tulosten tukevan Einsteinin teoriaa. Einstein oli jo tiedemaailman kuuluisuus; nyt hänestä tuli kaikkien tuntema nero, joka oli mullistanut maailmankaikkeuden lait. Dirac raivasi tietä jatkolle. Einsteinin suhteellisuusteoriat saivat siis lopullisen muotonsa vuosien 1905 ja 1916 välillä. Niiden tarina tieteessä jatkui kuitenkin edelleen. Einstein oli itse ollut panemassa alulle kvanttifysiikkaa. Se oli ollut oraalla parikymmentä vuotta, kunnes nuori sodanjälkeinen fyysikkopolvi muutamassa vuodessa muotoili kvanttimekaniikasta atomien ja elektronien maailmaa kuvaavan teorian. Yksi nuorista neroista, Paul Dirac yhdisti erityisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan aivan 20-luvun lopussa. Samalla hän löysi selityksen aineen magneettisille ominaisuuksille ja ennusti antimaterian olemassaolon. Ensimmäiset antimateriahiukkaset, positronit, löydettiinkin heti pari vuotta myöhemmin. Dirac raivasi teoriallaan tien kenttien kvanttiteorialle, joka toi materiahiukkaset ja vuorovaikutuksia välittävät hiukkaset, kuten fotonit, yhtenäisen teorian kuvaamiksi. Modernit yhtenäisteoriat, mm. säieteoria ovat suoraa jatkoa tälle reitille. Samalla ne ovat yrityksiä yhdistää kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria. Ongelmana on painovoiman esittäminen kvanttikenttäteorian avulla. Nykyään kuuluisat säieteoriat ovat yritys yhdistää gravitaatio sähkömagnetismin, radioaktiivisuuteen liittyvän heikon vuorovaikutuksen ja ytimiä koossapitävien värivoimien kvanttiteorioihin.
Kosmologia sovellusalueena Kosmologia on ollut suhteellisuusteorian ominta aluetta. Alkuräjähdyksen jäljiltä maailmankaikkeudessa risteilee hyvin matalaa lämpötilaa vastaavaa mikroaaltosäteilyä. Tämä on maailmankaikkeuden laajenemisen ansiosta punasiirtynyttä säteilyä, joka syntyessään on kaiketi ollut lähinnä oranssin sävyistä. Taustasäteilyn jakaumia tutkimalla on voitu päätellä, millainen maailmankaikkeus on ollut paljon ahtaampana ja tuhansia asteita kuumana. Punasiirtymän avulla voidaan määrittää myös maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. Tietyt alkuaineet lähettävät säteilyä määrätyillä taajuuksilla. Tähdistä voidaan mitata näitä taajuuksia, tai pikemminkin niiden punasiirtymiä. Punasiirtymät puolestaan kertovat tähden tai galaksin loittonemisnopeuden. Lähemmäs neljäkymmentä vuotta sitten keksittiin, että sammunut tähti voisi oman massansa ansiosta romahtaa mielivaltaisen pieneksi eli käytännössä yhdeksi pisteeksi. Tälläisen romahtaneen tähden lähellä gravitaatio on niin voimakas, että riittävän lähellä tähteä edes valonsäde ei voi paeta sen gravitaatiokentästä. Tällä etäisyydellä gravitaatiopunasiirtymä on ääretön, kellot hidastuvat ulkopuolisen tarkkailijan mielestä loputtoman verkkaisiksi ja etäisyydet litistyvät olemattomiksi. Tällainen romahtanut tähti on saanut nimen musta aukko. Pinta, jolla gravitaatiopunasiirtymä venyy äärettömäksi on mustan aukon tapahtumahorisontti. Erikoiseksi mustan aukon tekee, että yleinen suhteellisuusteoria ei enää toimi tapahtumahorisontin sisäpuolella. Samantyyppiseen ongelmaan kosmologit joutuvat, kun mennään tarpeeksi lähelle alkuräjähdyksen hetkeä. Yleisen suhteellisuusteorian rajat ovat tämänhetkisen kosmologisen tietämyksemme rajat. Käytännön sovellukset Suhteellisuusteorian sovelluksista monet ovat epäsuoria, esimerkiksi aineen magnetismin säätelyyn ei yleensä tarvita tietämystä suhteellisuusteoriasta. Kuitenkin magneettinauhojen ja tietokoneiden kiintolevyjen fysiikka on pohjimmiltaan suhteellisuusteoreettista kvanttifysiikkaa. Niin ja onhan valoa ja radioaaltoja käytetty jo pitkään, vaikka ei ole tiedetty niiden noudattavan suhteellisuusteoriaa. Sitten on sovelluksia, jotka ovat olemassa, koska suhteellisuusteoria on keksitty. Aivotutkimuksessa käytetty positroniemissiotomografia käyttää positroneja, jotka ovat antimateriaa. Antimateria tunnetaan Diracin yhtälöiden ansiosta. Aurinko saa energiansa atomiytimien fuusioreaktiosta, jossa kahden yhdistyvän atomiytimen kokonaismassasta osa muuttuu korkeataajuuksiseksi säteilyksi. Fissioreaktiossa raskas atomiydin hajoaa, jolloin osa massasta muuttuu säteilyksi. Nopeustutka perustuu dopplerin ilmiöön. Kohti tulevasta autosta heijastunut radioaalto on sinisiirtynyt. Lähtevän ja heijastuneen signaalin interferenssiä tutkimalla saadaan selville lähestyvän kohteen nopeus. Jo varsin yleisessä käytössä oleva GPS-navigointi vaatii toimiakseen sekä erityistä että yleistä suhteellisuusteoriaa. Maanpinnalla tapahtuva paikanmääritys perustuu satelliitin kanssa vaihdettuihin radiosignaaleihin. Kiertoradalla kiitävä satelliitti liikkuu meihin nähden suurella nopeudella, toisaalta painovoima on siellä pienempi, joten kellot käyvät eri tahtiin. Kysymys on pienistä sekunnin murto-osista. Mutta jos näitä ei oteta huomioon, voi satelliittipaikannus heittää toistakymmentä kilometria vuorokaudessa. Mitä tehdään navigointilaitteella, joka ei erota Kangasalaa Hervannasta?