Relativiteitstheorie
Met relativiteitstheorie worden in de natuurkunde twee theorieën van Albert Einstein aangeduid, namelijk:
Het centrale idee van relativiteitstheorie, is dat de wetten van de mechanica, of de natuurkunde in het algemeen, niet afhankelijk mogen zijn van de snelheid die een waarnemer heeft ten opzichte van andere waarnemers. Galileo Galileï had rond 1600 al een visie op dit principe. Eeuwen later werden de speciale en de algemene relativiteitstheorie ontwikkeld.
Galileïse relativiteitstheorie
De Galileïse relativiteitstheorie gaat uit van het volgende principe: De wetten van de mechanica zijn dezelfde voor waarnemers in twee stelsels die eenparig (een beweging die geen versnelling of vertraging kent) ten opzichte van elkaar bewegen. Zulke stelsels noemt men inertiaalstelsels. Anders gezegd: het is voor diezelfde twee waarnemers onmogelijk om aan de hand van de wetten van de mechanica 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.
In de Galileïse relativiteitstheorie zijn coördinatenstelsels die eenparig ten opzichte van elkaar bewegen, als volgt gerelateerd. Stel dat ten opzichte van het stelsel S de snelheid van een ander stelsel S' gelijk is aan v, en dat de nulpunten van beide stelsels op tijdstip t = 0 samenvallen. Als we posities in S met r aanduiden en in S' met r', geldt na verloop van een tijd t:
De klassieke mechanica volgens de wetten van Newton nam dit relativiteitsprincipe over van Galileo Galileï.
Speciale relativiteitstheorie
Zie speciale relativiteitstheorie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.De speciale relativiteitstheorie werd ontwikkeld in 1905 door Albert Einstein. Deze theorie gaat uit van de volgende twee postulaten:
- De wetten van de natuurkunde (inclusief die van de elektrodynamica) zijn dezelfde voor waarnemers in inertiaalstelsels die eenparig ten opzichte van elkaar bewegen.
- De lichtsnelheid in vacuüm is een universele constante, oftewel: waarnemers in inertiaalstelsels meten voor de lichtsnelheid altijd 299.792.458 m/s, onafhankelijk van hun onderlinge (relatieve) beweging.
Het eerste postulaat leunt in feite dicht aan bij het basisidee van Galileïsche relativiteitstheorie. Het tweede postulaat was (ten tijde van Einstein) een geheel nieuw principe, met (ondanks zijn formele eenvoud) bijzonder verreikende gevolgen. Om deze twee basisideeën met elkaar te verzoenen, zijn er speciale transformaties genaamd Lorentztransformaties nodig om plaats en tijd van de ene waarnemer om te rekenen in plaats en tijd van de andere. Hieruit volgt dat plaats en tijd met elkaar verbonden zijn. Evenzo zijn elektrische en magnetische velden (E en B) voor verschillende waarnemers in elkaar om te rekenen met Lorentztransformaties.
Het artikel van Einstein verscheen in 1905 onder de titel Zur Elektrodynamik bewegter Körper (over de elektrodynamica van bewegende lichamen). De theorie heeft als postulaat dat de lichtsnelheid in vacuüm hetzelfde is voor alle waarnemers. Dit was in overeenstemming met het Michelson-Morley-experiment van Michelson en Morley, waar de wetenschap tot op dat moment niet goed raad mee wist. In deze experimenten was aangetoond dat er geen absoluut stilstaand medium, de ether, bestaat, dat als drager van lichtgolven zou fungeren.
De speciale relativiteitstheorie is ook volledig in overeenstemming met de Wetten van Maxwell voor 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.
Uit de speciale relativiteit volgt ook Einstein's 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: tijd is 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, en de tijd trager loopt, de zogenaamde tijddilatatie, naarmate de snelheid de lichtsnelheid benadert volgens de Lorentzfactor. 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 dan licht zouden bewegen, tachyons, zouden allerlei paradoxen veroorzaken.
Algemene relativiteitstheorie
Zie algemene relativiteitstheorie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.De algemene relativiteitstheorie werd voorgesteld door Albert Einstein in een serie lezingen voor de Pruisische Academie van Wetenschappen in 1915.
Deze theorie vertrekt 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 voorspelde zo de afbuiging van licht van een ster 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 aan. Hij verklaarde zo ook de baan van de planeet Mercurius, die geen ellips beschrijft zoals de Wetten van Kepler aangeven, maar een rozet. Hij voorspelde ook dat hoger staande klokken sneller lopen, wat met atoomklokken inderdaad is aangetoond.
Zie ook
