De speciale relativiteitstheorie, die aan het begin van de vorige eeuw algemeen aanvaarde ideeën over de wereld ten val bracht, blijft de geest en het hart van mensen prikkelen. Vandaag zullen we proberen er samen achter te komen wat het is.
In 1905 publiceerde Albert Einstein de Special Theory of Relativity (SRT), waarin werd uitgelegd hoe beweging tussen verschillende inertiële referentiekaders moet worden geïnterpreteerd - simpel gezegd, objecten die met een constante snelheid ten opzichte van elkaar bewegen.
Einstein legde uit dat wanneer twee objecten met een constante snelheid bewegen, men hun beweging ten opzichte van elkaar moet beschouwen, in plaats van een ervan als een absoluut referentiekader te accepteren.
Dus als twee astronauten, jij en bijvoorbeeld Herman, op twee ruimteschepen vliegen en je waarnemingen willen vergelijken, is het enige dat je moet weten, je snelheid ten opzichte van elkaar.
De speciale relativiteitstheorie beschouwt slechts één speciaal geval (vandaar de naam), wanneer de beweging rechtlijnig en uniform is. Als een materieel lichaam versnelt of zich afkeert, werken de SRT-wetten niet meer. Dan treedt de algemene relativiteitstheorie (GTR) in werking, die de bewegingen van materiële lichamen in het algemene geval verklaart.
Einsteins theorie is gebaseerd op twee basisprincipes:
1. Het relativiteitsbeginsel: natuurkundige wetten blijven behouden, zelfs voor lichamen die traagheidsreferentiekaders zijn, dat wil zeggen, bewegen met een constante snelheid ten opzichte van elkaar.
2. Het principe van de lichtsnelheid: de lichtsnelheid blijft voor alle waarnemers ongewijzigd, ongeacht hun snelheid ten opzichte van de lichtbron. (Natuurkundigen duiden de lichtsnelheid aan met de letter c).
Promotie video:
Een van de redenen voor het succes van Albert Einstein is dat hij experimentele gegevens boven theoretische gegevens plaatste. Toen een reeks experimenten resultaten aan het licht bracht die in tegenspraak waren met de algemeen aanvaarde theorie, besloten veel natuurkundigen dat deze experimenten verkeerd waren.
Albert Einstein was een van de eersten die besloot een nieuwe theorie te bouwen op basis van nieuwe experimentele gegevens.
Aan het einde van de 9e eeuw waren natuurkundigen op zoek naar een mysterieuze ether - een medium waarin, volgens algemeen aanvaarde aannames, lichtgolven zich hadden voortgeplant, zoals akoestische golven, waarvoor lucht nodig is om zich voort te planten, of een ander medium - vast, vloeibaar of gasvormig. Het geloof in het bestaan van de ether heeft geleid tot het geloof dat de snelheid van het licht moet veranderen afhankelijk van de snelheid van de waarnemer in relatie tot de ether.
Albert Einstein liet het concept van ether los en stelde voor dat alle natuurkundige wetten, inclusief de lichtsnelheid, ongewijzigd blijven, ongeacht de snelheid van de waarnemer - zoals experimenten hebben aangetoond.
Homogeniteit van ruimte en tijd
Einsteins SRT postuleert een fundamentele relatie tussen ruimte en tijd. Het Materiële Universum heeft, zoals u weet, drie ruimtelijke dimensies: boven-beneden, rechts-links en voorwaarts-achterwaarts. Er wordt nog een dimensie aan toegevoegd - tijdelijk. Samen vormen deze vier dimensies het ruimte-tijd continuüm.
Als je met hoge snelheid beweegt, zullen je waarnemingen in relatie tot ruimte en tijd verschillen van die van andere mensen die langzamer bewegen.
De onderstaande afbeelding toont een gedachte-experiment om u te helpen dit idee te begrijpen. Stel je voor dat je op een ruimteschip bent met een laser in je handen, met behulp waarvan je lichtstralen naar het plafond stuurt waarop een spiegel is bevestigd. Licht, gereflecteerd, valt op de detector, die ze registreert.
Boven - je stuurde een lichtstraal het plafond in, het werd gereflecteerd en viel verticaal op de detector. Hieronder - voor Herman beweegt je lichtstraal diagonaal naar het plafond en dan diagonaal naar de detector.
Boven - je stuurde een lichtstraal het plafond in, het werd gereflecteerd en viel verticaal op de detector. Hieronder - voor Herman beweegt je lichtstraal diagonaal naar het plafond en dan diagonaal naar de detector.
Stel dat uw schip met een constante snelheid beweegt die gelijk is aan de helft van de lichtsnelheid (0,5c). Volgens Einsteins SRT maakt het jou niet uit, je merkt je beweging niet eens.
Echter, Herman, die je bekijkt vanuit een rustend ruimteschip, zal een heel ander beeld zien. Vanuit zijn standpunt zal de lichtstraal diagonaal naar de spiegel aan het plafond reizen, daaruit reflecteren en diagonaal op de detector vallen.
Met andere woorden, het traject van de lichtstraal zal er voor jou en voor Herman anders uitzien en de lengte zal anders zijn. Daarom zal de tijdsduur die de laserstraal nodig heeft om de afstand tot de spiegel en de detector af te leggen, voor u anders lijken.
Dit fenomeen wordt tijddilatatie genoemd: de tijd op een ruimteschip dat met hoge snelheid beweegt, verloopt vanuit het oogpunt van een waarnemer op aarde veel langzamer.
Dit voorbeeld toont, net als vele andere, duidelijk de onlosmakelijke band tussen ruimte en tijd aan. Deze verbinding is duidelijk zichtbaar voor de waarnemer als het gaat om hoge snelheden, dichtbij de snelheid van het licht.
Experimenten sinds Einstein zijn grote theorie publiceerde, hebben bevestigd dat ruimte en tijd feitelijk anders worden waargenomen, afhankelijk van de bewegingssnelheid van objecten.
Massa en energie combineren
In zijn beroemde artikel uit 1905 combineerde Einstein massa en energie in een eenvoudige formule die sindsdien bij elke student bekend is: E = mc².
Volgens de theorie van de grote fysicus, wanneer de snelheid van een materieel lichaam toeneemt en de snelheid van het licht nadert, neemt ook de massa toe. Die. hoe sneller het object beweegt, hoe zwaarder het wordt. In het geval dat de lichtsnelheid wordt bereikt, wordt de massa van het lichaam, evenals zijn energie, oneindig. Hoe zwaarder het lichaam, hoe moeilijker het is om zijn snelheid te verhogen; er is een oneindige hoeveelheid energie voor nodig om een lichaam met een oneindige massa te versnellen, dus het is onmogelijk voor materiële objecten om de snelheid van het licht te bereiken.
Vóór Einstein werden de concepten massa en energie in de natuurkunde afzonderlijk beschouwd. De briljante wetenschapper bewees dat de wet van behoud van massa, net als de wet van behoud van energie, deel uitmaakt van een meer algemene wet van massa-energie.
Vanwege de fundamentele verbinding tussen deze twee concepten, kan materie in energie worden omgezet en vice versa - energie in materie.