Hvad er relativitetsteori?

Albert Einstein var berømt for mange ting, men hans største genistykke er relativitetsteorien. Den ændrede for altid vores forståelse af rum og tid.

Hvad er relativitetsteori? Kort fortalt er det den opfattelse, at fysikkens love er de samme overalt. Vi her på Jorden adlyder de samme love om lys og tyngdekraft som en person i et fjernt hjørne af universet.

Fysikkens universalitet betyder, at historien er provinsiel. Forskellige beskuere vil se begivenhedernes timing og afstand forskelligt. Det, der for os er en million år, kan for en person, der flyver i en højhastighedsraket eller falder ned i et sort hul, blot være et øjeblik.

Det hele er relativt.

Specialrelativitetsteori

Einsteins teori er opdelt i speciel og generel relativitetsteori.

Speciel relativitetsteori kom først og er baseret på, at lysets hastighed er konstant for alle. Det kan virke simpelt nok, men det har vidtrækkende konsekvenser.

Einstein kom til denne konklusion i 1905, efter at eksperimentelle beviser viste, at lysets hastighed ikke ændrede sig, når Jorden svingede rundt om solen.

Dette resultat var overraskende for fysikerne, fordi hastigheden for de fleste andre ting afhænger af, i hvilken retning observatøren bevæger sig. Hvis du kører din bil langs et jernbanespor, vil et tog, der kommer imod dig, synes at bevæge sig meget hurtigere, end hvis du vender dig om og følger det i samme retning.

Einstein sagde, at alle observatører vil måle lysets hastighed til at være 186.000 miles i sekundet, uanset hvor hurtigt og i hvilken retning de bevæger sig.

Denne maksime fik komikeren Stephen Wright til at spørge: “Hvis du befinder dig i et rumskib, der rejser med lysets hastighed, og du tænder forlygterne, sker der så noget?”

Svaret er, at forlygterne tænder normalt, men kun set fra en persons perspektiv inde i rumskibet. For en person, der står udenfor og ser skibet flyve forbi, ser det ikke ud til, at forlygterne tændes: Der kommer lys ud, men det bevæger sig med samme hastighed som rumskibet.

Disse modstridende versioner opstår, fordi linealer og ure – de ting, der markerer tid og rum – ikke er de samme for forskellige observatører. Hvis lysets hastighed skal holdes konstant, som Einstein sagde, kan tid og rum ikke være absolutte; de må være subjektive.

For eksempel vil et rumskib på 100 fods længde, der rejser med 99,99 % af lysets hastighed, virke en fod langt for en stationær observatør, men det vil bevare sin normale længde for dem om bord.

Måske endnu mere mærkeligt er det, at tiden går langsommere, jo hurtigere man kører. Hvis en tvilling tager med i det hurtige rumskib til en fjern stjerne og derefter kommer tilbage, vil hun være yngre end sin søster, der blev på Jorden.

Massen afhænger også af hastigheden. Jo hurtigere et objekt bevæger sig, jo mere massivt bliver det. Faktisk kan intet rumskib nogensinde nå 100 % af lysets hastighed, fordi dets masse ville vokse til uendelighed.

Dette forhold mellem masse og hastighed udtrykkes ofte som et forhold mellem masse og energi: E=mc^2, hvor E er energi, m er masse og c er lysets hastighed.

Generel relativitetsteori

Einstein var ikke færdig med at forstyrre vores forståelse af tid og rum. Han fortsatte med at generalisere sin teori ved at inkludere acceleration og fandt ud af, at dette forvrængede formen af tid og rum.

For at holde fast i ovenstående eksempel: Forestil dig, at rumskibet accelererer ved at affyre sine thrusters. De ombordværende vil holde sig fast til jorden, ligesom hvis de var på Jorden. Einstein hævdede, at den kraft, vi kalder tyngdekraften, ikke kan skelnes fra at befinde sig i et fartskib, der accelererer.

Dette var i sig selv ikke så revolutionerende, men da Einstein udregnede den komplekse matematik (det tog ham 10 år), opdagede han, at rum og tid er krumme i nærheden af et massivt objekt, og denne krumning er det, vi oplever som tyngdekraften.

Det er svært at forestille sig den krumme geometri i den generelle relativitetsteori, men hvis man tænker på rumtiden som en slags stof, så strækker et massivt objekt det omgivende stof således, at alt, hvad der passerer i nærheden, ikke længere følger en lige linje.

Ligningerne i den generelle relativitetsteori forudsiger en række fænomener, hvoraf mange er blevet bekræftet:

• bøjning af lys omkring massive objekter (gravitationslinser)
• en langsom udvikling i planeten Merkurs bane (periheliumpræcession)
• rammens trækning af rumtiden omkring roterende legemer
• svækkelse af lys, der undslipper tyngdekraftens tiltrækning (gravitationel rødforskydning)
• gravitationsbølger (krusninger i rum-tidsstof) forårsaget af kosmiske sammenstød
• eksistensen af sorte huller, der fanger alt, herunder lys

Den forvrængning af rumtiden omkring et sort hul er mere intens end noget andet sted. Hvis den rumfarende tvilling faldt ned i et sort hul, ville hun blive strakt ud som spaghetti.

Glukkeligvis for hende ville det hele være overstået på et par sekunder. Men hendes søster på Jorden ville aldrig se det ende – hun ville se sin stakkels søster bevæge sig gradvist mod det sorte hul i løbet af universets alder.