Wat is relativiteit?

Albert Einstein was beroemd om vele dingen, maar zijn grootste geesteskind is de relativiteitstheorie. Deze veranderde voor altijd ons begrip van ruimte en tijd.

Wat is relativiteit? Kort gezegd is het de opvatting dat de wetten van de fysica overal hetzelfde zijn. Wij hier op aarde gehoorzamen aan dezelfde wetten van licht en zwaartekracht als iemand in een verre uithoek van het heelal.

De universaliteit van de fysica betekent dat de geschiedenis provinciaal is. Verschillende toeschouwers zullen de tijdstippen en afstanden van gebeurtenissen anders zien. Wat voor ons een miljoen jaar is, kan voor iemand die in een snelle raket vliegt of in een zwart gat valt slechts een oogwenk zijn.

Het is allemaal relatief.

Speciale relativiteit

Einsteins theorie is onderverdeeld in speciale en algemene relativiteit.

Speciale relativiteit kwam als eerste en is gebaseerd op het feit dat de snelheid van het licht voor iedereen constant is. Dat lijkt eenvoudig genoeg, maar het heeft verstrekkende gevolgen.

Einstein kwam in 1905 tot deze conclusie nadat experimenteel bewijs aantoonde dat de snelheid van het licht niet veranderde als de aarde om de zon draaide.

Dit resultaat was verrassend voor natuurkundigen omdat de snelheid van de meeste andere dingen afhangt van de richting waarin de waarnemer zich beweegt. Als u met uw auto langs een spoorbaan rijdt, zal een trein die op u afkomt veel sneller lijken te bewegen dan wanneer u zich omdraait en hem in dezelfde richting volgt.

Einstein zei dat alle waarnemers de snelheid van het licht zullen meten als 186.000 mijl per seconde, ongeacht hoe snel en in welke richting zij zich bewegen.

Deze stelregel was voor de komiek Stephen Wright aanleiding om te vragen: “Als je in een ruimteschip zit dat met de snelheid van het licht reist, en je doet de koplampen aan, gebeurt er dan iets?”

Het antwoord is dat de koplampen normaal aangaan, maar alleen vanuit het perspectief van iemand in het ruimteschip. Voor iemand die buiten staat en het schip voorbij ziet vliegen, lijken de koplampen niet aan te gaan: er komt licht uit, maar het reist met dezelfde snelheid van het ruimteschip.

Deze tegenstrijdige versies ontstaan omdat linialen en klokken – de dingen die tijd en ruimte markeren – voor verschillende waarnemers niet hetzelfde zijn. Als de snelheid van het licht constant moet worden gehouden zoals Einstein zei, dan kunnen tijd en ruimte niet absoluut zijn; zij moeten subjectief zijn.

Zo zal bijvoorbeeld een ruimteschip van 100 voet lang dat met 99,99% de snelheid van het licht reist, voor een stilstaande waarnemer één voet lang lijken, maar het zal zijn normale lengte behouden voor degenen aan boord.

Misschien nog vreemder, de tijd gaat langzamer naarmate men sneller gaat. Als een tweeling in het versnellende ruimteschip naar één of andere verre ster rijdt en dan terugkomt, zal zij jonger zijn dan haar zuster die op Aarde bleef.

Massa, ook, hangt van snelheid af. Hoe sneller een voorwerp beweegt, hoe massiever het wordt. In feite kan geen ruimteschip ooit 100% van de lichtsnelheid bereiken, omdat zijn massa dan tot in het oneindige zou groeien.

Deze relatie tussen massa en snelheid wordt vaak uitgedrukt als een relatie tussen massa en energie: E=mc^2, waarbij E energie is, m massa en c de lichtsnelheid.

Algemene relativiteit

Einstein was nog niet klaar met ons begrip van tijd en ruimte overhoop te halen. Hij veralgemeende zijn theorie door er ook versnelling in op te nemen en ontdekte dat dit de vorm van tijd en ruimte verstoorde.

Om bij het bovenstaande voorbeeld te blijven: stel dat het ruimteschip versnelt door zijn stuwraketten af te vuren. Degenen aan boord zullen aan de grond blijven kleven, net alsof zij op aarde waren. Einstein beweerde dat de kracht die wij zwaartekracht noemen niet te onderscheiden is van het zich bevinden in een versnellend schip.

Dit was op zichzelf niet zo revolutionair, maar toen Einstein de ingewikkelde wiskunde uitwerkte (hij deed er 10 jaar over), ontdekte hij dat ruimte en tijd gekromd zijn in de buurt van een massief object, en deze kromming is wat wij ervaren als de zwaartekracht.

Het is moeilijk om de gekromde geometrie van de algemene relativiteit voor te stellen, maar als men denkt aan ruimte-tijd als een soort weefsel, dan rekt een massief object het omringende weefsel zodanig uit dat alles wat in de buurt passeert niet langer een rechte lijn volgt.

De vergelijkingen van de algemene relativiteit voorspellen een aantal verschijnselen, waarvan er vele zijn bevestigd:

• buiging van licht rond massieve objecten (gravitatielensing)
• een langzame evolutie in de baan van de planeet Mercurius (periheliumprecessie)
• sleep van de ruimte-tijd rond roterende lichamen
• verzwakking van licht dat ontsnapt aan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht (gravitationele roodverschuiving)
• gravitatiegolven (rimpelingen in de ruimte-tijdweefsel) veroorzaakt door kosmische smashups
• het bestaan van zwarte gaten die alles insluiten inclusief licht

De kromming van de ruimte-tijd rond een zwart gat is intenser dan ergens anders. Als de ruimtetweeling in een zwart gat zou vallen, zou ze worden uitgerekt als spaghetti.

Gelukkig voor haar, zou het allemaal in een paar seconden voorbij zijn. Maar haar zus op aarde zou het nooit zien eindigen – kijken naar haar arme zus die in de loop van de leeftijd van het universum steeds dichter bij het zwarte gat komt.