Einstein en de Speciale Relativiteitstheorie
In 1905 publiceerde Albert Einstein zijn speciale relativiteitstheorie. Het is een van de belangrijkste artikelen die ooit in de natuurkunde zijn gepubliceerd. Speciale relativiteit is een verklaring van hoe snelheid massa, tijd en ruimte beïnvloedt. De theorie omvat een manier voor de lichtsnelheid om de relatie tussen energie en materie te definiëren – kleine hoeveelheden massa (m) kunnen uitwisselbaar zijn met enorme hoeveelheden energie (E), zoals gedefinieerd door de klassieke vergelijking E=m*c2.
Speciale relativiteit is van toepassing op “speciale” gevallen – het wordt meestal gebruikt bij het bespreken van enorme energieën, ultrahoge snelheden en astronomische afstanden, allemaal zonder de complicaties van de zwaartekracht. Met de publicatie van zijn artikel over de algemene relativiteitstheorie voegde Einstein in 1915 officieel de zwaartekracht toe aan zijn theorieën.
Naarmate een object de lichtsnelheid nadert wordt de massa van het object oneindig en dat geldt ook voor de energie die nodig is om het te verplaatsen. Dat betekent dat het voor materie onmogelijk is om sneller dan het licht te gaan. Aangezien mensen overwegen om over grote afstanden te reizen inspireert deze kosmische snelheidslimiet nieuwe gebieden in de natuurkunde en sciencefiction.
Wat was fysica voor de relativiteit?
Vóór Einstein begrepen astronomen (althans de meerderheid) het heelal in termen van de drie bewegingswetten die Isaac Newton in 1686 had gepresenteerd. Deze drie wetten zijn:
- Objecten in beweging of in rust blijven in dezelfde staat totdat tenzij een externe kracht verandering oplegt. Dit wordt ook wel het begrip van traagheid genoemd.
- De kracht die op een voorwerp inwerkt is gelijk aan de massa van het voorwerp vermenigvuldigd met zijn versnelling. Met andere woorden, je kan berekenen hoeveel kracht er nodig is om objecten met verschillende massa’s met verschillende snelheden te verplaatsen.
- Voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde actie.
De wetten van Newton bleken geldig in bijna elke toepassing in de natuurkunde. Ze vormden de basis voor ons begrip van mechanica en zwaartekracht.
Maar sommige dingen konden niet verklaard worden door het werk van Newton: bijvoorbeeld licht.
Om het vreemde gedrag van licht in het werk van Newton van de 19de eeuw te introduceren veronderstelden natuurkundigen dat licht door een of ander medium moest reizen. Ze noemden dat ‘lichtgevend ether”. Die hypothetische ether moest stijf genoeg zijn om lichtgolven over te brengen zoals een gitaarsnaar trilt met geluid, maar ook volledig niet-detecteerbaar in de bewegingen van planeten en sterren.
Dat was een hele opgave. Onderzoekers probeerden die mysterieuze ether te detecteren. Zo berekenden de natuurkundigen Albert A. Michelson en de scheikundige Edward Morley in 1887 hoe de beweging van de Aarde door de ether van invloed was op hoe de lichtsnelheid wordt gemeten. Ze ontdekten onverwacht dat de snelheid van licht hetzelfde is, ongeacht de beweging van de Aarde.
Als de snelheid van het licht niet veranderde ondanks de beweging van de Aarde door de ether dat moest er, volgens de twee, om te beginnen niet zoiets als ether bestaan: licht in de ruimte bewoog zich door een vacuüm.
Dat betekende dat het niet kon worden verklaard door de klassieke mechanica. De natuurkunde dat een nieuw paradigma nodig.
Hoe kwam Einstein op de bijzondere relativiteit?
Volgens Einstein in zijn boek “Autobiographical Notes” uit 1949 begon de ontluikende natuurkundige al op 16-jarige leeftijd het gedrag van licht in twijfel te trekken. In een gedacht-experiment dat hij als tiener deed stelde hij zich voor dat hij een lichtstraal achtervolgde.
Klassieke natuurkunde zou impliceren dat als de denkbeeldige Einstein versnelde om het licht te vangen, de lichtgolf uiteindelijk een relatieve snelheid van nul zou bereiken, de man en het licht zouden samen met dezelfde snelheid bewegen en hij zou het licht kunnen zien als een bevroren elektromagnetisch veld. Maar, schreef Einstein, dit was in tegenspraak met het werk van een andere wetenschapper, James Clerk Maxwell, wiens vergelijkingen vereisten dat elektromagnetische golven altijd met dezelfde snelheid in een vacuüm bewegen: 300.000 kilometer per seconden.
Natuurkundefilosoof John D. Norton stelde in zijn boek “Einstein for Everyone:”, zijn verhaal ter discussie. Deels omdat Einstein als 16-jarige nog niet in aanraking zou zijn gekomen met de vergelijkingen van Maxwell. Maar omdat het in Einsteins eigen memoires verscheen wordt de anekdote nog steeds algemeen aanvaard.
Als een persoon in theorie een lichtstraal zou kunnen opvangen en deze bevroren zou kunnen zien ten opzichte van hun eigen beweging dan zou de natuurkunde als geheel dan moeten veranderen afhankelijk van de snelheid van een persoon en hun gezichtspunt? In plaats daarvan, zo vertelde Einstein, zocht hij naar een uniforme theorie die de regels van de natuurkunde voor iedereen, overal en altijd hetzelfde zou maken.
Dit, schreef de natuurkundige, leidde tot zijn uiteindelijke overpeinzingen over de speciale relativiteitstheorie die hij opsplitste in een ander gedachte-experiment: een persoon staat naast een treinspoor en vergelijkt waarnemingen van een onweersbui met een persoon in de trein. En omdat het natuurkunde is rijdt de trein natuurlijk bijna met de snelheid van het licht.
Einstein stelde zich de trein voor op een punt op het spoor gelijk tussen twee bomen. Als een bliksemschicht beide bomen tegelijkertijd zou raken zou de persoon naast de baan gelijktijdige inslagen zien. Maar omdat ze naar de ene bliksemschicht toe bewegen en weg van de andere zou de persoon in de trein eerst de bliksemschicht voor de trein zien en later de bliksemschicht achter de trein.
Einstein concludeerde dat gelijktijdigheid niet absoluut is of met andere woorden: dat gelijktijdige gebeurtenissen zoals gezien door een waarnemer op verschillende tijdstippen kunnen plaatsvinden vanuit het perspectief van een ander. Het is niet de lichtsnelheid die verandert realiseerde hij zich, maar de tijd zelf is relatief. De tijd beweegt anders voor objecten in beweging dan voor objecten in rust. Ondertussen is de snelheid van het licht, zoals waargenomen door iedereen waar dan ook in het heelal, bewegend of niet bewegend, altijd hetzelfde.
Wat betekent E=M*C2 ?
Een van de beroemdste en best bekende vergelijkingen in de hele menselijke geschiedenis, E = m*c2, kan worden vertaald naar “energie is gelijk aan massa maal de snelheid van het licht in het kwadraat”. Met andere woorden, energie (E) en massa (m) zijn uitwisselbaar. Het zijn in feite gewoon twee vormen van hetzelfde.
Maar ze zijn niet gemakkelijk te verwisselen. Omdat de snelheid van het licht al een enorm getal is en de vergelijking vereist dat het met zichzelf wordt vermenigvuldigd (in het kwadraat) om nog groter te worden, bevat een kleine hoeveelheid massa een enorme hoeveelheid energie.
Als je alle atomen in een paperclip in pure energie zou kunnen veranderen, zonder enige massa, dan zou de paperclip de equivalente hoeveelheid van 18 kiloton TNT opleveren. Dat is ongeveer de grootte van de atoombom die in 1945 Hiroshima verwoestte.
Tijdsdilatatie
Een van de vele implicaties van de Speciale Relativiteitstheorie van Einstein is dat de tijd ten opzichte van de waarnemer beweegt. Een object ervaart tijdsvertraging en dat betekent dat wanneer een object erg snel beweegt het de tijd langzamer ervaart dan wanneer het in rust is. We noemen dit tijdsdilatatie, het uitrekken van de tijd.
Toen astronaut Scott Kelly in 2015 bijna een jaar aan boord van het International Space Station doorbracht bewoog hij veel sneller dan zijn tweelingbroer astronaut Mark Kelly, die een jaar aan het aardoppervlak doorbracht. Door de tijdsdilatatie werd Mark Kelly net iets ouder dan Scott; 5 milliseconden. Aangezien Scott niet in de buurt van de lichtsnelheid kwam was het werkelijke verschil in veroudering als gevolg van de tijdsdilatatie verwaarloosbaar. Sterker nog, gezien de hoeveelheid stress en straling aan boord van het ISS zouden sommigen beweren dat Scott Kelly zijn verouderingssnelheid verhoogde.
Maar bij snelheden die de lichtsnelheid benaderen zouden de effecten van tijdsdilatatie veel duidelijker kunnen zijn. Stel je voor dat een 15-jarige haar middelbare school verlaat en vijf jaar lang met 99,5% van de lichtsnelheid reist (vanuit het perspectief van de tienerastronaut). Toen de 15-jarige terugkeerde op Aarde zou ze 5 jaar ouder zijn geworden; de tijd die ze doorbracht met reizen. Haar klasgenoten zouden echter 65 jaar oud zijn. Er zouden 50 jaar zijn verstreken op de veel langzamer bewegende planeet.
We hebben momenteel niet de techniek om snelheden in de buurt van de lichtsnelheid te benaderen. Maar met de precisie van de moderne technologie heeft tijdsdilatatie daadwerkelijk invloed op de menselijke techniek.
GPS-apparaten werken door een positie te berekenen op basis van communicatie met minstens drie satellieten in verre banen om de Aarde. Die satellieten moeten ongelooflijk nauwkeurig de tijd bijhouden om een locatie op een planeet te lokaliseren. Ze werken dus op basis van atoomklokken. Maar omdat die atoomklokken zich aan boord van satellieten bevinden die constant met een snelheid van 14.000 kilometer per uur door de ruimte reizen betekent de speciale relativiteit dat ze elke dag een extra 7 microseconden (7 miljoenste van een seconde) tikken. Om gelijke tred te houden met de klokken op Aarde moeten atoomklokken in GPS-satellieten elke dag 7 microseconden aftrekken.
Met aanvullende effecten van de algemene relativiteitstheorie (Einsteins vervolg op de speciale relativiteitstheorie waarin de zwaartekracht is verwerkt), tikken klokken dichter bij het centrum van een grote zwaartekracht zoals de Aarde langzamer dan die verder weg zijn. Dat effect voegt microseconden toe aan elke dag op een GPS-atoomklok dus uiteindelijk trekken ingenieurs 7 microseconden af en tellen ze er 45 microseconden bij op. GPS-klokken gaan pas over naar de volgende dag als ze in totaal 38 microseconden langer hebben gelopen dan vergelijkbare klokken op Aarde.
Speciale relativiteit en kwantummechanica
Speciale relativiteit en kwantummechanica zijn twee van de meest algemeen aanvaarde modellen van hoe ons heelal werkt. Maar de speciale relativiteitstheorie heeft meestal betrekking op grote afstanden, snelheden en objecten die worden verenigd in een “glad” model van het heelal. Gebeurtenissen in de speciale (en algemene) relativiteit zijn continu en deterministisch. Dit betekent dat elke actie resulteert in een direct, specifiek en lokaal gevolg. Dat is iets anders dan kwantummechanica. Kwantummechanica is “grof”, met gebeurtenissen die plaatsvonden in sprongen of kwantumsprongen die probabilistische resultaten hebben en geen definitieve.
Onderzoekers die de kwantummechanica en de algemene relativiteit met elkaar proberen te verbinden beschouwen het daarentegen als een van de grote onopgeloste problemen in de natuurkunde. Decennialang beschouwden velen de snaartheorie als het meest veelbelovende onderzoeksgebied naar een verenigde theorie van alle natuurkunde. Nu bestaan er een groot aantal aanvullende theorieën. Een groep stelde bijvoorbeeld ruimtetijdlussen voor om de kleine, dikke kwantumwereld te verbinden met het brede relativistische heelal.
Eerste publicatie: 20 mei 2022
Bron: space.com en vele anderen
