Wat is de relativiteitstheorie?

Vóór de geboorte van de relativiteitstheorie dacht men dat licht, als golf, een medium nodig had om zich voort te planten, en dat medium stond bekend als de ether. Bovendien leek de theorie die lichtverschijnselen beschreef een andere vorm aan te nemen wanneer men ervan uitging dat waarnemers zich met een bepaalde snelheid ten opzichte van de ether voortbewogen. In 1887 voerden de Amerikaanse natuurkundigen Albert Michelson en Edward Morley een experiment uit om de snelheid van de beweging van de aarde ten opzichte van de ether te meten. Het resultaat gaf aan dat licht zich met dezelfde snelheid in alle richtingen op het aardoppervlak voortplantte, wat het bestaan van de ether in twijfel trok. Dit experiment verbaasde de wetenschappelijke gemeenschap totdat Einstein in 1905 de speciale relativiteitstheorie ontwikkelde, die gebaseerd is op twee postulaten over de invariantie van natuurkundige wetten – dat wil zeggen, hoe de natuur op een vergelijkbare manier wordt beschreven, ongeacht wie haar observeert.

Het eerste postulaat of relativiteitsprincipe stelt dat de natuurkundige wetten (voorlopig exclusief de zwaartekracht) dezelfde zijn als die waargenomen door traagheidswaarnemers, dat wil zeggen waarnemers die zich met een constante relatieve snelheid bewegen. Hoewel de geldigheid van Newtons wetten voor verschillende waarnemers van dit type bekend was, zou, als licht een medium nodig had om zich voort te planten, deze ether beschouwd kunnen worden als een absoluut referentiesysteem, en zouden lichtverschijnselen ons in staat kunnen stellen de voortplantingssnelheid van een traagheidswaarnemer ten opzichte van de ether te bepalen.

Reflecterend op het feit dat de ether overbodig was geworden, concludeerde Einstein dat de wetten van het elektromagnetisme (die licht beschrijven) ook voor alle waarnemers moesten gelden. Bovendien stelt het tweede postulaat dat de lichtsnelheid in een vacuüm dezelfde is als die gemeten door een willekeurige traagheidswaarnemer. Dit impliceert dat het voor een traagheidswaarnemer onmogelijk is om met die snelheid te reizen. Als een ruimtevaartuig met de lichtsnelheid ten opzichte van een andere waarnemer zou reizen en een lichtpuls met een laser in dezelfde bewegingsrichting zou uitzenden, zou die waarnemer zien dat het ruimtevaartuig en het licht op dezelfde plaats blijven en met dezelfde snelheid bewegen, maar vanuit het ruimtevaartuig zouden ze zien dat het licht zich ervan verwijdert, wat een tegenstrijdigheid is.

De combinatie van deze postulaten leidt tot enkele contra-intuïtieve resultaten. Twee gebeurtenissen die gelijktijdig plaatsvinden voor de ene waarnemer, zijn dat niet voor een andere waarnemer die zich ten opzichte van haar beweegt, omdat de tijd die verstrijkt tussen gebeurtenissen verwijdt wanneer ze worden bekeken door een bewegende waarnemer ten opzichte van een andere waarnemer voor wie ze zich op dezelfde locatie afspelen, terwijl de lengte van objecten krimpt wanneer ze worden bekeken door een waarnemer die zich ten opzichte van het object beweegt. Uiteraard zijn deze effecten verwaarloosbaar wanneer de betrokken snelheden veel lager zijn dan de voortplantingssnelheid van het licht, maar ze veranderen radicaal ons begrip van ruimte en tijd. Hoewel ruimtelijke en temporele intervallen verschillende waarden kunnen hebben, afhankelijk van wie ze meet, kan er een ruimte-tijdinterval worden gedefinieerd dat voor alle waarnemers hetzelfde is. De natuurkunde speelt zich af in de ruimte-tijd die we door deze intervallen definiëren, en dit heeft diepgaande gevolgen.

Maar speelt alle natuurkunde zich af in de ruimtetijd? De speciale relativiteitstheorie was niet verenigbaar met de Newtoniaanse beschrijving van de zwaartekracht. De grote conceptuele sprong van de algemene relativiteitstheorie , geformuleerd door Einstein in 1915 , bestond uit het inzicht dat zwaartekracht geen fenomeen is dat wordt veroorzaakt door een andere kracht in de ruimtetijd, maar juist te wijten is aan de kromming van de ruimtetijd, veroorzaakt door de massa's die deze bevat. Ruimtetijd verheft zich van een inerte structuur waarin de natuurkunde plaatsvindt tot een fysieke grootheid op zichzelf.

De principes die ten grondslag liggen aan de algemene relativiteitstheorie zijn het algemene covariantieprincipe en het equivalentieprincipe. Het eerste generaliseert het relativiteitsprincipe, omdat het de equivalentie van de natuurwetten voor alle waarnemers en in aanwezigheid van zwaartekracht beschouwt. Het equivalentieprincipe werd geïntroduceerd in de Newtoniaanse fysica en stelt de equivalentie vast van traagheidsmassa, die meet hoe een object een verandering in zijn beweging weerstaat, en gravitatiemassa, die beschrijft hoe een lichaam het zwaartekrachtveld ervaart. Deze relatie is een gevolg van de universaliteit van vrije val, dat wil zeggen dat alle lichamen in gelijke mate versnellen in aanwezigheid van zwaartekracht en afwezigheid van andere krachten.

Einstein ging echter verder door te bedenken dat de fysica in een laboratorium met uniforme versnelling en zonder zwaartekracht dezelfde zou moeten zijn als de fysica in een ander laboratorium ondergedompeld in een uniform zwaartekrachtveld. Door deze gedachte te volgen, kan men proberen zwaartekrachtverschijnselen te begrijpen in termen van de grootheden die gebruikt worden om beweging in de ruimte te beschrijven, wat suggereert dat zwaartekracht een geometrisch fenomeen is.

Het equivalentieprincipe binnen het relativistische kader kent verschillende formuleringen. Het zogenaamde Einsteiniaanse equivalentieprincipe stelt dat niet-gravitationele fysische verschijnselen (en verschijnselen met een verwaarloosbaar effect op de ruimte-tijd) in een klein gebied van de ruimte en op geen enkel punt daarbinnen, worden beïnvloed door de aanwezigheid van een zwaartekrachtveld.

Dit impliceert dat op elk punt in de ruimte en op elk tijdstip, binnen een voldoende klein gebied, de beschrijving van de natuur zoals gegeven door de speciale relativiteitstheorie kan worden teruggevonden. De algemene relativiteitstheorie generaliseert dus de speciale relativiteitstheorie in de aanwezigheid van zwaartekracht.

Prado Martín Moruno heeft een doctoraat in de natuurkunde en is onderzoeker en hoogleraar aan de afdeling theoretische natuurkunde van de Complutense Universiteit van Madrid .

Coördinatie en schrijven: Victoria Toro .

Vraag ingediend door José Ortega Carrascal .

Nosotras Respondemos is een wekelijkse wetenschappelijke consultatie, gesponsord door het L'Oréal-Unesco programma 'For Women in Science' en Bristol Myers Squibb , die vragen van lezers over wetenschap en technologie beantwoordt. Deze vragen worden beantwoord door wetenschappers en technologen, leden van AMIT (Association of Women Researchers and Technologists). Stuur uw vragen naar [email protected] of via X #nosotrasrespondemos.