Klassieke natuurkunde is van mening dat elke waarnemer, ongeacht de locatie, dezelfde resultaten zal krijgen bij het meten van tijd en omvang. Het relativiteitsprincipe stelt dat waarnemers verschillende resultaten kunnen krijgen, en dergelijke vervormingen worden "relativistische effecten" genoemd. Bij het naderen van de lichtsnelheid gaat de Newtoniaanse fysica opzij.
Snelheid van het licht
Wetenschapper A. Michelson, die in 1881 de lichtsnelheid heeft gemeten, realiseerde zich dat deze resultaten niet afhankelijk zouden zijn van de snelheid waarmee de stralingsbron bewoog. Samen met E. V. Morley Michelson voerde in 1887 nog een experiment uit, waarna het voor de hele wereld duidelijk werd: in welke richting de meting ook wordt gedaan, de lichtsnelheid is overal en altijd hetzelfde. De resultaten van deze studies waren in strijd met de ideeën van de fysica van die tijd, want als licht in een bepaald medium (ether) beweegt en de planeet beweegt in hetzelfde medium, kunnen metingen in verschillende richtingen niet hetzelfde zijn.
Later werd de Franse wiskundige, natuurkundige en astronoom Jules Henri Poincaré een van de grondleggers van de relativiteitstheorie. Hij ontwikkelde de Lorentz-theorie, volgens welke de bestaandede ether is onbeweeglijk, dus de snelheid van het licht ten opzichte ervan is niet afhankelijk van de snelheid van de bron. In bewegende referentiekaders worden Lorentz-transformaties uitgevoerd en geen Galilese transformaties (de Galilese transformaties die tot dan toe in de Newtoniaanse mechanica werden aanvaard). Vanaf nu zijn Galilese transformaties een speciaal geval van Lorentz-transformaties geworden, wanneer ze met een lage snelheid (in vergelijking met de lichtsnelheid) naar een ander inertiaal referentiekader gaan.
Afschaffing van ether
Het relativistische effect van lengtecontractie, ook wel de Lorentzcontractie genoemd, is dat voor de waarnemer objecten die ten opzichte van hem bewegen een kortere lengte zullen hebben.
Albert Einstein heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan de relativiteitstheorie. Hij schafte een term als 'ether', die tot dan toe aanwezig was in de redenering en berekeningen van alle natuurkundigen, volledig af, en hij bracht alle concepten van de eigenschappen van ruimte en tijd over naar de kinematica.
Na de publicatie van Einsteins werk stopte Poincaré niet alleen met het schrijven van wetenschappelijke artikelen over dit onderwerp, maar noemde hij ook in geen van zijn werken de naam van zijn collega, behalve in het enige geval van verwijzing naar de theorie van het foto-elektrisch effect. Poincare bleef de eigenschappen van de ether bespreken, waarbij hij categorisch alle publicaties van Einstein ontkende, hoewel hij tegelijkertijd de grootste wetenschapper met respect behandelde en hem zelfs een briljante getuigenis gaf toen het bestuur van de Hogere Polytechnische School in Zürich Einstein wilde uitnodigen om professor te worden aan de onderwijsinstelling.
Relativiteit
Zelfs veel van degenen die het volledig oneens zijn met natuurkunde en wiskunde, althans in algemene termen, wat de relativiteitstheorie is, omdat het misschien wel de beroemdste van alle wetenschappelijke theorieën is. Zijn postulaten vernietigen gewone ideeën over tijd en ruimte, en hoewel alle schoolkinderen de relativiteitstheorie bestuderen, is het niet voldoende om alleen de formules te kennen om het in zijn geheel te begrijpen.
Het effect van tijdsdilatatie werd getest in een experiment met een supersonisch vliegtuig. De exacte atoomklokken aan boord begonnen na terugkomst een fractie van een seconde achter te lopen. Als er twee waarnemers zijn, waarvan er één stilstaat, en de tweede beweegt met een bepaalde snelheid ten opzichte van de eerste, zal de tijd voor de waarnemer die stilstaat sneller gaan, en voor het bewegende object zal de minuut een beetje duren langer. Als de bewegende waarnemer echter besluit terug te gaan en de tijd te controleren, zal blijken dat zijn horloge iets minder aangeeft dan het eerste. Dat wil zeggen, nadat hij een veel grotere afstand had afgelegd op de schaal van de ruimte, "leefde" hij minder tijd terwijl hij zich bewoog.
Relativistische effecten in het leven
Velen geloven dat relativistische effecten alleen kunnen worden waargenomen wanneer de lichtsnelheid wordt bereikt of nadert, en dit is waar, maar je kunt ze niet alleen observeren door je ruimteschip te verspreiden. Op de pagina's van het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters leest u over het theoretische werk van de Zweedsewetenschappers. Ze schreven dat relativistische effecten zelfs in een eenvoudige auto-accu aanwezig zijn. Het proces is mogelijk vanwege de snelle beweging van elektronen van loodatomen (trouwens, ze zijn de oorzaak van het grootste deel van de spanning in de terminals). Dit verklaart ook waarom, ondanks de overeenkomsten tussen lood en tin, op tin gebaseerde batterijen niet werken.
Fancy Metals
De rotatiesnelheid van elektronen in atomen is vrij laag, dus de relativiteitstheorie werkt gewoon niet, maar er zijn enkele uitzonderingen. Als je steeds verder langs het periodiek systeem gaat, wordt duidelijk dat er nogal wat elementen zwaarder dan lood in zitten. Een grote massa kernen wordt in evenwicht gehouden door de snelheid van elektronen te verhogen, en het kan zelfs de lichtsnelheid benaderen.
Als we dit aspect vanuit de relativiteitstheorie bekijken, wordt het duidelijk dat elektronen in dit geval een enorme massa moeten hebben. Dit is de enige manier om het impulsmoment te behouden, maar de orbitaal zal langs de straal krimpen, en dit wordt inderdaad waargenomen bij zware metaalatomen, maar de orbitalen van "trage" elektronen veranderen niet. Dit relativistische effect wordt waargenomen in de atomen van sommige metalen in s-orbitalen, die een regelmatige, bolsymmetrische vorm hebben. Er wordt aangenomen dat het als gevolg van de relativiteitstheorie is dat kwik een vloeibare aggregatietoestand heeft bij kamertemperatuur.
Ruimtevaart
Objecten in de ruimte zijn van elkaarover grote afstanden, en zelfs als ze met de snelheid van het licht bewegen, zal het erg lang duren om ze te overwinnen. Om bijvoorbeeld Alpha Centauri te bereiken, de dichtstbijzijnde ster bij ons, zal een ruimtevaartuig met de snelheid van het licht vier jaar nodig hebben, en om ons naburige melkwegstelsel, de Grote Magelhaense Wolk, te bereiken, duurt het 160.000 jaar.
Het is nog steeds mogelijk om naar Alpha Centauri en terug te vliegen, omdat het slechts acht jaar duurt, en voor de bewoners van het schip, die het effect van tijdsvertraging voelen, zal deze periode veel korter zijn, maar op wanneer ze terugkeren van een reis naar een naburig sterrenstelsel, zullen astronauten ontdekken dat er in hun geboorteland driehonderdtwintigduizend jaar zijn verstreken op de planeet, en dat de menselijke beschaving misschien al lang niet meer bestaat. Door relativistische effecten kunnen mensen dus door de tijd reizen. Dit wordt beschouwd als een van de belangrijkste problemen van verkenning van de ruimte, want wat heeft het voor zin om de ruimte te veroveren als er geen manier is om terug te keren?
Andere activiteiten
Naast de beroemde tijddilatatie is er ook het relativistische Doppler-effect, volgens welke, als de bron van golven begint te bewegen, de golven die zich naar deze beweging voortplanten, door de waarnemer als "gecomprimeerd" zullen worden waargenomen, en naar de verwijdering van de golflengte zal worden verhoogd.
Dit fenomeen is typerend voor alle golven, dus het kan worden waargenomen in het voorbeeld van geluid in het dagelijks leven. De vermindering van een geluidsgolf wordt door het menselijk oor waargenomen als een toename van de toon. Dus,wanneer het sein van een trein of auto van ver wordt gehoord, is het lager, en als de trein de waarnemer passeert, terwijl hij geluid maakt, dan zal zijn hoogte hoger zijn op het moment van nadering, maar zodra de objecten gelijk worden en de trein begint weg te rijden, de toon wordt scherp lager en gaat verder op lagere tonen.
Deze relativistische effecten zijn te wijten aan de klassieke analoog van de verandering in frequentie wanneer de ontvanger en de bron bewegen, evenals relativistische tijddilatatie.
Over magnetisme
Moderne natuurkundigen bespreken onder meer in toenemende mate het magnetische veld als een relativistisch effect. Volgens deze interpretatie is het magnetische veld geen onafhankelijke fysieke materiële entiteit, het is zelfs niet een van de manifestaties van het elektromagnetische veld. Het magnetische veld is vanuit het oogpunt van de relativiteitstheorie slechts een proces dat plaatsvindt in de ruimte rond puntladingen als gevolg van de overdracht van een elektrisch veld.
Voorstanders van deze theorie geloven dat als C (de lichtsnelheid in vacuüm) oneindig zou zijn, de voortplanting van interacties in snelheid ook onbeperkt zou zijn, en als gevolg daarvan zouden er geen manifestaties van magnetisme kunnen optreden.
