De speciale relativiteitstheorie, gepubliceerd in 1905 door Einstein en een belangrijke generalisatie van een aantal eerdere hypothesen, is een van de meest resonerende en besproken in de natuurkunde.
Het is inderdaad moeilijk voor te stellen dat wanneer een object beweegt met een snelheid die bijna het licht is, fysieke processen ervoor op een volledig ongebruikelijke manier beginnen: zijn lengte neemt af, zijn massa neemt toe en de tijd vertraagt. Onmiddellijk na de publicatie begonnen pogingen om de theorie in diskrediet te brengen, die vandaag nog steeds voortduurt, hoewel er meer dan honderd jaar zijn verstreken. Dit is niet verwonderlijk, want de vraag hoe laat het is, baart de mensheid al lang zorgen en trekt ieders aandacht.
Wat is relativisme
De essentie van relativistische mechanica (het is ook de speciale relativiteitstheorie, hierna SRT genoemd) en het verschil met de klassieke mechanica wordt levendig uitgedrukt door de directe vertaling van de naam: het Latijnse relativus betekent 'relatief'. SRT postuleert de onvermijdelijkheid van tijdsvertraging voor een object als het beweegt ten opzichte van een waarnemer.
Het verschilvan deze theorie, voorgesteld door Albert Einstein, uit de Newtoniaanse mechanica en ligt in het feit dat alle lopende processen alleen relatief ten opzichte van elkaar of tot een externe waarnemer kunnen worden beschouwd. Alvorens te beschrijven wat relativistische tijdsdilatatie is, is het noodzakelijk om een beetje in te gaan op de kwestie van de vorming van de theorie en te bepalen waarom de formulering ervan mogelijk en zelfs verplicht werd.
De oorsprong van relativiteit
Tegen het einde van de 19e eeuw kwamen wetenschappers tot het inzicht dat sommige experimentele gegevens niet passen in het beeld van de wereld op basis van klassieke mechanica.
Fundamentele tegenstrijdigheden resulteerden in pogingen om de mechanica van Newton te combineren met de vergelijkingen van Maxwell die de beweging van elektromagnetische golven in vacuüm en continue media beschrijven. Het was al bekend dat licht zo'n golf is en dat het moet worden beschouwd in het kader van de elektrodynamica, maar het was buitengewoon problematisch om te argumenteren met visuele en vooral beproefde mechanica.
De tegenstrijdigheid was echter duidelijk. Stel dat er een lantaarn wordt bevestigd voor een rijdende trein, die naar voren schijnt. Volgens Newton moeten de snelheden van de trein en het licht dat uit de lantaarn komt optellen. De vergelijkingen van Maxwell in deze hypothetische situatie "braken" gewoon. Er was een geheel nieuwe aanpak nodig.
Speciale relativiteitstheorie
Het zou onjuist zijn om te geloven dat Einstein de relativiteitstheorie heeft uitgevonden. In feite wendde hij zich tot de werken en hypothesen van wetenschappers die voor hem werkten. De auteur benaderde echteraan de andere kant en in plaats van de mechanica van Newton herkenden de vergelijkingen van Maxwell als "a priori correct".
Naast het beroemde relativiteitsprincipe (in feite geformuleerd door Galileo echter binnen het kader van de klassieke mechanica), bracht deze benadering Einstein tot een interessante uitspraak: de snelheid van het licht is constant in alle frames van verwijzing. En het is deze conclusie die ons in staat stelt om te praten over de mogelijkheid om de tijdstandaarden te veranderen wanneer het object beweegt.
Constantie van de lichtsnelheid
Het lijkt erop dat de uitspraak "de snelheid van het licht is constant" niet verrassend is. Maar probeer je voor te stellen dat je stilstaat en het licht met een vaste snelheid van je af ziet bewegen. Je volgt de straal, maar hij blijft met exact dezelfde snelheid van je af bewegen. Bovendien, als u zich omdraait en in de tegenovergestelde richting van de straal vliegt, verandert u op geen enkele manier de snelheid van uw afstand tot elkaar!
Hoe is dit mogelijk? Hier begint het gesprek over het relativistische effect van tijddilatatie. Interessant? Lees dan verder!
Relativistische tijdsdilatatie volgens Einstein
Wanneer de snelheid van een object de snelheid van het licht nadert, wordt de interne tijd van het object berekend om te vertragen. Als we aannemen dat een persoon evenwijdig aan de zonnestraal beweegt met een vergelijkbare snelheid, zal de tijd voor hem helemaal stoppen met rennen. Er is een formule voor relativistische tijdsdilatatie, die de relatie met de snelheid van een object weergeeft.
Bij het bestuderen van deze kwestie moet er echter rekening mee worden gehouden dat geen enkel lichaam met massa zelfs theoretisch de snelheid van het licht kan bereiken.
Paradoxen gerelateerd aan theorie
Speciale relativiteitstheorie is een wetenschappelijk werk en niet gemakkelijk te begrijpen. De publieke belangstelling voor de vraag hoe laat het is, roept echter regelmatig ideeën op die in de dagelijkse praktijk onoplosbare paradoxen lijken. Het volgende voorbeeld verbijstert bijvoorbeeld de meeste mensen die kennis maken met SRT zonder enige kennis van natuurkunde.
Er zijn twee vliegtuigen, waarvan er één recht vliegt, en de tweede stijgt op en, nadat ze een boog heeft beschreven met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt, ha alt ze de eerste in. Voorspelbaar blijkt dat de tijd voor het tweede apparaat (dat met bijna lichtsnelheid vloog) langzamer verliep dan voor het eerste. Echter, in overeenstemming met het SRT-postulaat zijn de referentiekaders voor beide vliegtuigen gelijk. Dit betekent dat de tijd langzamer kan gaan voor zowel het ene als het andere apparaat. Het lijkt erop dat dit een doodlopende weg is. Maar…
Oplossen van paradoxen
In feite is de bron van dit soort paradoxen een misverstand over het mechanisme van de theorie. Deze tegenstrijdigheid kan worden opgelost met behulp van een bekend speculatief experiment.
We hebben een schuur met twee deuren die een doorgang vormen en een paal die iets langer is dan de lengte van de schuur. Als we de paal van deur tot deur strekken, kunnen ze niet sluiten of breken ze gewoon onze paal. Als de paal de schuur in vliegt,zal een snelheid hebben die dicht bij de lichtsnelheid ligt, de lengte zal afnemen (onthoud: een object dat met de snelheid van het licht beweegt, heeft een lengte van nul), en op het moment dat het zich in de schuur bevindt, kunnen we de stal sluiten en openen deuren zonder onze rekwisieten te breken.
Aan de andere kant, zoals in het voorbeeld met het vliegtuig, is het de schuur die moet afnemen ten opzichte van de paal. De paradox herha alt zich en het lijkt erop dat er geen uitweg is - beide objecten worden synchroon in lengte verkleind. Onthoud echter dat alles relatief is en los het probleem op door de tijd te veranderen.
Relativiteit van gelijktijdigheid
Als de voorkant van de paal binnen is, voor de voordeur, kunnen we deze sluiten en openen, en op het moment dat de paal volledig de schuur in vliegt, doen we hetzelfde met de achterkant deur. Het lijkt erop dat we het niet tegelijkertijd doen, en het experiment is mislukt, maar hier komt het belangrijkste naar voren: in overeenstemming met de speciale relativiteitstheorie bevinden de sluitingsmomenten van beide deuren zich op hetzelfde punt op de tijdas.
Dit gebeurt omdat gebeurtenissen die gelijktijdig plaatsvinden in het ene referentiekader, niet gelijktijdig zullen zijn in een ander. Relativistische tijdsdilatatie manifesteert zich in de relatie van objecten, en we keren terug naar de absoluut alledaagse generalisatie van Einsteins theorie: alles is relatief.
Er is nog een detail: de gelijkheid van referentiesystemen is relevant in SRT, wanneer beide objecten uniform en rechtlijnig bewegen. Zodra een van de lichamen begint te versnellen of te vertragen, wordt zijn referentiekader uniekmogelijk.
Twin Paradox
De beroemdste paradox die relativistische tijddilatatie "op een eenvoudige manier" verklaart, is een gedachte-experiment met twee tweelingbroers. Een van hen vliegt weg in een ruimteschip met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt, terwijl de andere op de grond blijft. Bij zijn terugkeer ontdekt de astronaut-broer dat hij zelf 10 jaar ouder is geworden, en zijn broer, die thuis is gebleven, wel 20 jaar oud is geworden.
Het algemene beeld zou de lezer al duidelijk moeten zijn uit de vorige uitleg: voor de broer op het ruimteschip vertraagt de tijd omdat zijn snelheid dicht bij de snelheid van het licht ligt; we kunnen het referentiekader ten opzichte van de broer-op-grond niet accepteren, omdat het niet-inertieel zal blijken te zijn (slechts één broer ervaart overbelasting).
Ik wil nog iets opmerken: het maakt niet uit in welke mate de tegenstanders reiken in het geschil, het feit blijft: de tijd in zijn absolute waarde blijft constant. Het maakt niet uit hoeveel jaar een broer op een ruimteschip vliegt, hij zal precies in hetzelfde tempo ouder worden als de tijd verstrijkt in zijn referentiekader, en de tweede broer zal in precies hetzelfde tempo ouder worden - het verschil wordt pas onthuld wanneer ze ontmoeten elkaar, en in geen enkel ander geval.
Zwaartekrachttijddilatatie
Tot slot moet worden opgemerkt dat er een tweede type tijdsdilatatie is, al geassocieerd met de algemene relativiteitstheorie.
Zelfs in de 18e eeuw voorspelde Mitchell het bestaan van de rodeverplaatsing, wat betekent dat wanneer een object beweegt tussen gebieden met sterke en zwakke zwaartekracht, de tijd ervoor zal veranderen. Ondanks pogingen om de kwestie door Laplace en Zoldner te bestuderen, presenteerde alleen Einstein in 1911 een volwaardig werk over dit onderwerp.
Dit effect is niet minder interessant dan de relativistische tijdsdilatatie, maar het vereist een aparte studie. En dat is, zoals ze zeggen, een heel ander verhaal.
