Er wordt gezegd dat de openbaring in een oogwenk naar Albert Einstein kwam. De wetenschapper reed naar verluidt een tram in Bern (Zwitserland), keek naar de straatklok en realiseerde zich plotseling dat als de tram nu versnelde tot de snelheid van het licht, deze klok naar zijn mening zou stoppen - en er zou geen tijd meer zijn. Dit bracht hem ertoe een van de centrale postulaten van de relativiteitstheorie te formuleren: dat verschillende waarnemers de werkelijkheid anders waarnemen, inclusief fundamentele grootheden als afstand en tijd.
Wetenschappelijk gezien realiseerde Einstein zich die dag dat de beschrijving van een fysieke gebeurtenis of fenomeen afhangt van het referentiekader waarin de waarnemer zich bevindt (zie Coriolis-effect). Als een passagier in een tram bijvoorbeeld een bril laat vallen, vallen ze bij haar verticaal naar beneden en bij een voetganger die op straat staat, valt de bril in een parabool, terwijl de tram beweegt terwijl de bril valt. Elk heeft zijn eigen referentiekader.
Maar hoewel de beschrijvingen van gebeurtenissen veranderen tijdens de overgang van het ene referentiekader naar het andere, zijn er ook universele dingen die ongewijzigd blijven. Als we, in plaats van de val van de bril te beschrijven, een vraag stellen over de natuurwet waardoor ze vallen, dan is het antwoord daarop hetzelfde voor een waarnemer in een vast coördinatensysteem en voor een waarnemer in een bewegend coördinatensysteem. De wet van het gedistribueerde verkeer is zowel op straat als in de tram geldig. Met andere woorden, hoewel de beschrijving van gebeurtenissen afhangt van de waarnemer, zijn de natuurwetten niet van hem afhankelijk, dat wil zeggen, zoals ze in wetenschappelijke taal zeggen, ze zijn onveranderlijk. Dit is het relativiteitsprincipe.
Zoals elke hypothese moest het relativiteitsbeginsel worden getest door het te correleren met echte natuurverschijnselen. Uit het relativiteitsbeginsel heeft Einstein twee afzonderlijke (zij het verwante) theorieën afgeleid. De speciale of specifieke relativiteitstheorie gaat uit van de aanname dat de natuurwetten hetzelfde zijn voor alle referentiekaders die met een constante snelheid bewegen. De algemene relativiteitstheorie breidt dit principe uit naar elk referentiekader, ook die met versnelling. De speciale relativiteitstheorie werd gepubliceerd in 1905, en hoe complexer vanuit het oogpunt van het wiskundige apparaat, de algemene relativiteitstheorie werd door Einstein in 1916 voltooid.
Speciale relativiteitstheorie
De meeste van de paradoxale en tegenstrijdige intuïtieve ideeën over de wereld van effecten die ontstaan bij het bewegen met een snelheid die dicht bij de snelheid van het licht ligt, worden voorspeld door de speciale relativiteitstheorie. De bekendste is het effect van het vertragen van de klok, of het effect van het vertragen van de tijd. Een klok die ten opzichte van de waarnemer beweegt, loopt bij hem langzamer dan precies dezelfde klok in zijn handen.
Tijd in een coördinatensysteem dat beweegt met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen, wordt uitgerekt ten opzichte van de waarnemer, terwijl de ruimtelijke omvang (lengte) van objecten langs de as van de bewegingsrichting daarentegen wordt gecomprimeerd. Dit effect, bekend als de Lorentz-Fitzgerald-contractie, werd in 1889 beschreven door de Ierse natuurkundige George Fitzgerald (1851-1901) en in 1892 voltooid door de Nederlander Hendrick Lorentz (1853-1928). De afkorting Lorentz-Fitzgerald verklaart waarom het Michelson-Morley-experiment om de snelheid van de beweging van de aarde in de ruimte te bepalen door de "etherwind" te meten, een negatief resultaat gaf. Later nam Einstein deze vergelijkingen op in de speciale relativiteitstheorie en vulde ze aan met een vergelijkbare transformatieformule voor massa,volgens welke de massa van het lichaam ook toeneemt naarmate de snelheid van het lichaam de lichtsnelheid nadert. Dus met een snelheid van 260.000 km / s (87% van de lichtsnelheid), zal de massa van een object vanuit het oogpunt van een waarnemer in het rustende referentiekader verdubbelen.
Promotie video:
Sinds de tijd van Einstein vinden al deze voorspellingen, hoe in strijd met het gezond verstand ze ook lijken, volledige en directe experimentele bevestiging. In een van de meest onthullende experimenten plaatsten wetenschappers van de Universiteit van Michigan een ultraprecieze atoomklok aan boord van een vliegtuig dat regelmatig transatlantische vluchten maakte, en na elke vlucht terug naar de thuisluchthaven controleerden ze hun metingen tegen de controleklok. Het bleek dat de klok in het vliegtuig langzamerhand steeds meer achterbleef bij de controleurs (om zo te zeggen, als het gaat om fracties van een seconde). Wetenschappers hebben de afgelopen halve eeuw onderzoek gedaan naar elementaire deeltjes in enorme hardwarecomplexen, versnellers genaamd. Daarin worden bundels geladen subatomaire deeltjes (zoals protonen en elektronen) versneld tot snelheden dichtbij de snelheid van het licht,daarna worden ze beschoten op verschillende nucleaire doelen. Bij dergelijke experimenten met versnellers moet rekening worden gehouden met de toename van de massa van de versnelde deeltjes - anders lenen de experimentele resultaten zich gewoon niet voor redelijke interpretatie. En in die zin is de speciale relativiteitstheorie allang overgegaan van de categorie van hypothetische theorieën naar het gebied van toegepaste techniek, waar ze op gelijke voet wordt gebruikt met de wetten van de mechanica van Newton.
Terugkomend op de wetten van Newton wil ik in het bijzonder opmerken dat de speciale relativiteitstheorie, hoewel deze uiterlijk in tegenspraak is met de wetten van de klassieke Newtoniaanse mechanica, in feite vrijwel exact alle gebruikelijke vergelijkingen van de wetten van Newton reproduceert, indien toegepast om lichamen te beschrijven die aanzienlijk met een snelheid bewegen. minder dan de lichtsnelheid. Dat wil zeggen, de speciale relativiteitstheorie annuleert de Newtoniaanse fysica niet, maar breidt haar uit en vult haar aan (dit idee wordt in de inleiding in meer detail besproken).
Het relativiteitsbeginsel helpt ook te begrijpen waarom de snelheid van het licht, en niet elke andere, zo'n belangrijke rol speelt in dit model van de structuur van de wereld - deze vraag wordt gesteld door veel van degenen die voor het eerst met de relativiteitstheorie in aanraking kwamen. De lichtsnelheid valt op en speelt een speciale rol als universele constante, omdat deze wordt bepaald door een natuurwetenschappelijke wet (zie Maxwell's vergelijkingen). Op grond van het relativiteitsbeginsel is de lichtsnelheid in een vacuüm, c, in elk referentiekader hetzelfde. Dit lijkt in tegenspraak met gezond verstand, aangezien het blijkt dat licht van een bewegende bron (hoe snel het ook beweegt) en van een stationaire bron tegelijkertijd de waarnemer bereikt. Dit is echter zo.
Vanwege zijn speciale rol in de natuurwetten staat de snelheid van het licht centraal in de algemene relativiteitstheorie.
Algemene relativiteitstheorie
De algemene relativiteitstheorie wordt al toegepast op alle referentiekaders (en niet alleen op degenen die met een constante snelheid ten opzichte van elkaar bewegen) en ziet er wiskundig gezien veel gecompliceerder uit dan de speciale (wat de elfjarige kloof verklaart tussen hun publicatie). Het omvat, als een speciaal geval, de speciale relativiteitstheorie (en dus de wetten van Newton). Bovendien gaat de algemene relativiteitstheorie veel verder dan al zijn voorgangers. Het geeft met name een nieuwe interpretatie van de zwaartekracht.
De algemene relativiteitstheorie maakt de wereld vierdimensionaal: tijd wordt opgeteld bij de drie ruimtelijke dimensies. Alle vier dimensies zijn onafscheidelijk, dus we hebben het niet langer over de ruimtelijke afstand tussen twee objecten, zoals het geval is in de driedimensionale wereld, maar over de ruimte-tijdintervallen tussen gebeurtenissen die hun afstand tot elkaar verenigen - zowel in tijd als in ruimte … Dat wil zeggen, ruimte en tijd worden beschouwd als een vierdimensionaal ruimte-tijd continuüm of, eenvoudigweg, ruimte-tijd. In dit continuüm kunnen waarnemers die ten opzichte van elkaar bewegen het zelfs oneens zijn over de vraag of twee gebeurtenissen gelijktijdig plaatsvonden - of de een aan de ander voorafging. Gelukkig voor onze arme geesten leidt de kwestie niet tot een schending van oorzaak-gevolg-relaties - dat wil zeggen, het bestaan van coördinatensystemen,waarin twee gebeurtenissen niet tegelijkertijd en in een verschillende volgorde plaatsvinden, staat zelfs de algemene relativiteitstheorie dit niet toe.
De zwaartekrachtwet van Newton vertelt ons dat er een kracht van wederzijdse aantrekkingskracht bestaat tussen twee lichamen in het universum. Vanuit dit oogpunt draait de aarde om de zon, aangezien de krachten van wederzijdse aantrekkingskracht tussen hen inwerken. De algemene relativiteitstheorie dwingt ons echter om anders naar dit fenomeen te kijken. Volgens deze theorie is de zwaartekracht een gevolg van de vervorming ('kromming') van het elastische weefsel van de ruimte-tijd onder invloed van massa (in dit geval, hoe zwaarder een lichaam, bijvoorbeeld de zon, hoe meer ruimte-tijd eronder 'buigt' en, dienovereenkomstig, hoe sterker de zwaartekracht ervan). veld). Stel je een strak gespannen canvas voor (een soort trampoline) met een enorme bal erop. Het web vervormt onder het gewicht van de bal en daaromheen vormt zich een trechtervormige verdieping. Volgens de algemene relativiteitstheorie,De aarde draait om de zon als een kleine bal die is geplaatst om rond de kegel van een trechter te rollen die is gevormd als resultaat van het "forceren" van ruimte-tijd door een zware bal - de zon. En wat ons de zwaartekracht lijkt, is in feite een puur externe manifestatie van de kromming van ruimte-tijd, en helemaal geen kracht in Newtoniaans begrip. Tot op heden is er geen betere verklaring gevonden voor de aard van de zwaartekracht dan de algemene relativiteitstheorie ons geeft. Tot op heden is er geen betere verklaring gevonden voor de aard van de zwaartekracht dan de algemene relativiteitstheorie ons geeft. Tot op heden is er geen betere verklaring gevonden voor de aard van de zwaartekracht dan de algemene relativiteitstheorie ons geeft.
Het is moeilijk om de algemene relativiteitstheorie te testen, aangezien de resultaten in gewone laboratoriumomstandigheden bijna volledig samenvallen met wat Newtons wet van de universele zwaartekracht voorspelt. Desalniettemin zijn er verschillende belangrijke experimenten uitgevoerd en hun resultaten laten toe dat de theorie als bevestigd wordt beschouwd. Bovendien helpt de algemene relativiteitstheorie de verschijnselen te verklaren die we in de ruimte waarnemen - bijvoorbeeld kleine afwijkingen van Mercurius vanuit een stationaire baan, die vanuit het oogpunt van de klassieke Newtoniaanse mechanica onverklaarbaar zijn, of de kromming van elektromagnetische straling van verre sterren wanneer deze dichtbij de zon passeert.
In feite verschillen de resultaten die worden voorspeld door de algemene relativiteitstheorie aanzienlijk van de resultaten die worden voorspeld door de wetten van Newton, alleen in de aanwezigheid van supersterke zwaartekrachtvelden. Dit betekent dat voor een volwaardige test van de algemene relativiteitstheorie, ofwel ultraprecieze metingen van zeer massieve objecten of zwarte gaten nodig zijn, waarop geen van onze gebruikelijke intuïtieve ideeën van toepassing is. De ontwikkeling van nieuwe experimentele methoden voor het testen van de relativiteitstheorie blijft dus een van de belangrijkste taken van de experimentele fysica.