Relativiteitsteory

Ofbyld:Albert Einstein 1979 USSR Stamp.jpg

$E=mc^{2}$

Mei relativiteitsteory wurde yn de natuerkunde twa teoryën fan Albert Einstein oantsjutten:

1. de spesjale relativiteitsheory,
2. de algemiene relativiteitsteory.

It sintrale idee fan relativiteitsteory is dat de wetten fan de meganika, of de natuerkunde yn it algemien, net ôfhinklik wêze meie fan de snelheid dy't in waarnimmer hat foar oare waarnimmers oer. Galileo Galilei hie om 1600 al in fyzje op dit prinsipe. Ieuwen letter waarden de spesjale en de algemiene relativiteitsteory ûntwikkele.

Relativiteitsteory fan Galilei

De relativiteitsteory fan Galilei giet út fan it prinsipe: De wetten fan de meganika bine itselde foar waarnimmers yn twa stelsels dy't ienpearich (in beweging dy't gjin fersnelling of fertraging kent) ten opsichte fan elkoar bewege. Sokke stelsels wurde ynertsiaalstelsels. Oars sein: it is foar dyselfde twa waarnimmers ûnmooglik om aan de hand van de wetten van de meganika te bepalen wie van beiden een absolute beweging uitvoert of mogelijk stilstaat. Dit heeft als direct gevolg dat er alleen relatieve en geen absolute snelheden bestaan – vandaar de naam relativiteitsprincipe.

Yn de relativiteitsteory fan Galilei binne koördinatestelsels dy't ienpearich ten opschte fan elkoar bewege, relativeare troch: Stel dat ten opsichte fan it stelsel S de snelheid fan in oar stelsel S' lyk is oan v, en dat de nulpunten fan beide stelsels op tiidstip t = 0 gearfalle. As wy posysjes yn S mei r oantsjutte en yn S' mei r', jildt nei ferrin fan in tiid t:

$\mathbf {r} '=\mathbf {r} -\mathbf {v} t$

De klassike mechanica neffens de wetten fan Newton naam dit relativiteitsprinsipe oer fan Galileo Galilei.

Spesjale relativiteitstheorie

De spesjale relativiteitsteory waard ûntwikkele yn 1905 troch Albert Einstein. Dizze teory giet út fan twa postulaten:

• De wetten fan de natuerkunde (ynklusyf dy fan de elektrodynamika) binne itselde foar waarnimmers yn ynertsjaalstelsels dy't ienpearich ten opsichte fan elkoar bewege.
• De ljochtsnelheid yn fakuüm is in universele konstante, ofwol: waarnimmers yn ynertsjaalstelsels mjitte foar de ljochtsnelheid yn fakuüm altyd 299.792.458 m/s, ûnôfhinklik fan harren ûnderlinge (relative) beweging.

It earste postulaat leunt in feite ticht oan by it basisidee fan relativiteitsteory fan Galilei. It twadde postulaat wie (yn de tiid fan Einstein) in heul nij prinsipe, mei (ûndanks syn formele ienfâld) bysûnder fierrikkende gefolgen. Om dizze twa basisideeën mei elkoar te fersoenen, binne der spesjale transformaasjes, de saneamde Lorentztransformaasjes, nedich om plak en tiid fan de iene waarnimmer om te rekkenjen yn palk en tiid fan de oare. Hjirút folget dat plak en tiid mei elkoar ferbûn binne. krekt-en-gelyk binne elektryske en magnetyske fjilden (E en B) foar ferskillende waarnimmers yn elkoar om te rekkenjen mei Lorentztransformaasjes. {wurk}}

It artikel fan Einstein ferskynde yn 1905 ûnder de titel Zur Elektrodynamik bewegter Körper (oer de elektrodynamika fan bewegende lichems). De teory hat as postulaat dat de ljochtsnelheid yn fakuüm itselde is foar alle waarnimmers. Dit wie yn oerienstimmming mei de resultaten fan it eksperimint fan Michelson en Morley, dêr't de wittenskip op dat stuit net goed ried mei wist. Yn deze experimenten was aangetoond dat er geen absoluut stilstaand medium, de ether, bestaat, dat als drager van lichtgolven zou fungeren.

De spesjale relativiteitsteory is ek folslein yn oerienstimming mei de Wetten fan Maxwell foar it elektromagnetisme. Magnetisme is het relativistisch effect van elektriciteit. Stel dat een waarnemer een stilstaande elektrische lading ziet en dus een elektrisch veld. Een andere waarnemer in eenparige beweging ten opzichte van de eerste ziet dan een bewegende lading, dus een elektrische stroom, dus een magnetisch veld.

Ut de spesjale relativiteit volgt ek Einsteins beroemde formule E = mc², die de gelijkwaardigheid van massa en energie uitdrukt. De theorie drukt ook uit dat ruimte en tijd verschijningen van dezelfde ruimte-tijd met vier dimensies zijn: de tijd speelt de rol van de vierde dimensie. Gelijktijdigheid is relatief: twee verschijnselen die zich voor een waarnemer gelijktijdig voordoen, kunnen zich voor een andere waarnemer op verschillende tijden voordoen. De theorie voorspelt dat de lengte verkort, de zogenaamde lengtecontractie of Lorentzcontractie, en de tijd trager loopt, de zogenaamde tijddilatatie, volgens de Lorentzfactor, naarmate de snelheid de lichtsnelheid nadert. Dit is onder meer in synchrotrons aangetoond en ook met muonen uit kosmische straling. Dit opent de principiële mogelijkheid tot tijdreizen, meer bepaald naar de toekomst. Zie hiervoor de tweelingparadox. De lichtsnelheid is de hoogst mogelijke snelheid: deeltjes die sneller as ljocht bewege soene, tachyonen, soenen ferskate paradoksen feroarsaakje.

Algemiene relativiteitsteory

De algemiene relativiteitsteory waard voorgesteld door Albert Einstein in een serie lezingen voor de Pruisyske Academie fan Wittenskippen yn 1915.

Dizze theorie fertrekt van het postulaat, dat waarnemers die zich in rust in een gelijkmatig zwaartekrachtsveld bevinden gelijkwaardig zijn met andere waarnemers die een constante (uniforme) versnelling ondervinden.

Deze veralgemening van het relativiteitsprincipe gaat samen met een nieuwe theorie van de zwaartekracht. In deze theorie wordt zwaartekracht niet langer als een kracht gezien zoals dat bij de Wetten van Newton het geval was, maar als een meetkundige eigenschap van de ruimte zelf. Een massa trekt de ruimte rondom zich krom, waardoor het lijkt alsof de massa andere massa's aantrekt. Volgens Newton is de zwaartekracht sneller dan het licht. Als bijvoorbeeld de maan opeens zou verdwijnen, zou je eerst zien dat de getijden zich terugtrokken en dan pas dat de maanschijf van de hemel verdween.

Einstein foarsei sa de ôfbûging fan ljocht fan in stjer door de zon. Arthur Eddington nam dit waar bij de zonsverduistering op het eiland Principe op 29 mei 1919. Hoewel fotonen geen rustmassa bezitten, zijn zij volgens de relatie E = hν van Max Planck een vorm van energie. Wegens E = mc² zijn energie en massa equivalent en trekt het zwaartekrachtveld van de zon licht oan. Hy verklaarde zo ook de baan van de planeet Mercurius, die geen ellips beschrijft zoals de Wetten van Kepler aangeven, maar een rozet. Hy voorspelde ook dat hoger staande klokken sneller lopen, wat met atoomklokken inderdaad is aangetoond.