Albert Einstein was beroemd om veel dingen, maar zijn grootste geesteskind is de relativiteitstheorie. Het veranderde voor altijd ons begrip van ruimte en tijd.
Wat is relativiteit? Kort gezegd is het de gedachte dat de natuurwetten overal hetzelfde zijn. Wij hier op aarde gehoorzamen dezelfde wetten van licht en zwaartekracht als iemand in een verre uithoek van het universum.
Door de universaliteit van de natuurkunde is de geschiedenis provinciaal. Verschillende kijkers zullen de timing en spatiëring van evenementen anders zien. Wat voor ons een miljoen jaar is, is misschien maar een oogwenk voor iemand die in een hogesnelheidsraket vliegt of in een zwart gat valt.
Het is allemaal relatief.
Speciale relativiteit
De theorie van Einstein is onderverdeeld in speciale en algemene relativiteit.
Speciale relativiteit kwam op de eerste plaats en is gebaseerd op het feit dat de lichtsnelheid constant is voor iedereen. Dat lijkt misschien eenvoudig genoeg, maar het heeft verstrekkende gevolgen.
Einstein kwam tot deze conclusie in 1905 nadat experimenteel bewijs had aangetoond dat de lichtsnelheid niet veranderde toen de aarde rond de zon draaide.
Dit resultaat was verrassend voor natuurkundigen omdat de snelheid van de meeste andere dingen afhangt van de richting waarin de waarnemer beweegt. Als je met je auto langs een spoorlijn rijdt, lijkt een trein die op je afkomt veel sneller te rijden dan wanneer je je omdraaide en hem in dezelfde richting volgde.
Einstein zei dat alle waarnemers de lichtsnelheid zullen meten op 186.000 mijl per seconde, ongeacht hoe snel en in welke richting ze bewegen.
Deze stelregel zette de komiek Stephen Wright ertoe aan om te vragen: 'Als je in een ruimteschip zit dat met de snelheid van het licht reist en je de koplampen aanzet, gebeurt er dan iets?'
Het antwoord is dat de koplampen normaal aangaan, maar alleen vanuit het perspectief van iemand in het ruimteschip. Voor iemand die buiten staat te kijken hoe het schip voorbij vliegt, lijken de koplampen niet aan te gaan: het licht komt uit, maar het beweegt met dezelfde snelheid als het ruimteschip.
Deze tegenstrijdige versies ontstaan omdat heersers en klokken - de dingen die tijd en ruimte markeren - niet hetzelfde zijn voor verschillende waarnemers. Als de lichtsnelheid constant moet worden gehouden, zoals Einstein zei, dan kunnen tijd en ruimte niet absoluut zijn; ze moeten subjectief zijn.
Zo zal een ruimteschip van 30 meter lang met een snelheid van 99,99% van de lichtsnelheid een voet lang lijken voor een stationaire waarnemer, maar het blijft zijn normale lengte voor degenen aan boord.
Misschien nog vreemder, de tijd gaat langzamer, hoe sneller. Als een tweeling in het snel rijdende ruimteschip naar een verre ster rijdt en dan terugkomt, zal ze jonger zijn dan haar zus die op aarde is gebleven.
Ook massa hangt af van snelheid. Hoe sneller een object beweegt, hoe groter het wordt. In feite kan geen enkel ruimteschip ooit 100% van de lichtsnelheid bereiken omdat de massa tot oneindig zou groeien.
Deze relatie tussen massa en snelheid wordt vaak uitgedrukt als een relatie tussen massa en energie: E = mc ^ 2, waarbij E energie is, m massa is en c de lichtsnelheid.
Algemene relativiteit
Einstein was nog niet klaar met het verstoren van ons begrip van tijd en ruimte. Hij ging verder met het generaliseren van zijn theorie door versnelling op te nemen en ontdekte dat dit de vorm van tijd en ruimte vervormde.
Om bij het bovenstaande voorbeeld te blijven: stel je voor dat het ruimteschip versnelt door zijn stuwraketten af te vuren. De passagiers aan boord blijven aan de grond plakken alsof ze op aarde zijn. Einstein beweerde dat de kracht die we zwaartekracht noemen niet te onderscheiden is van een accelererend schip.
Dit was op zichzelf niet zo revolutionair, maar toen Einstein de complexe wiskunde uitwerkte (het kostte hem 10 jaar), ontdekte hij dat ruimte en tijd gebogen zijn nabij een massief object, en deze kromming is wat we ervaren als de zwaartekracht.
Het is moeilijk om de gebogen geometrie van algemene relativiteit voor te stellen, maar als men de ruimtetijd als een soort stof beschouwt, rekt een massief object de omringende stof uit zodat alles wat dichtbij komt niet langer een rechte lijn volgt.
De vergelijkingen van algemene relativiteitstheorie voorspellen een aantal verschijnselen, waarvan er vele zijn bevestigd:
- lichtbuigen rond massieve objecten (gravitationele lensing)
- een langzame evolutie in de baan van de planeet Mercurius (precessie van het perihelium)
- frame slepen van ruimte-tijd rond roterende lichamen
- verzwakking van licht dat aan de zwaartekracht ontsnapt (gravitationele roodverschuiving)
- zwaartekrachtsgolven (rimpelingen in ruimte-tijd weefsel) veroorzaakt door kosmische botsingen
- het bestaan van zwarte gaten die alles inclusief licht vangen
Het vervormen van de ruimtetijd rond een zwart gat is intenser dan waar dan ook. Als de ruimtevarende tweeling in een zwart gat zou vallen, zou ze als spaghetti worden uitgestrekt.
Gelukkig voor haar zou het binnen een paar seconden allemaal voorbij zijn. Maar haar zus op aarde zou het nooit zien eindigen - terwijl ze haar arme zus stapsgewijs in de richting van het zwarte gat zag kruipen over de leeftijd van het universum.
Dit artikel is op 2 juli 2019 bijgewerkt door WordsSideKick.com-bijdrager Tim Childers.
