InfoNu.nl > Wetenschap > Natuurkunde > Relativiteitstheorie van Einstein

Relativiteitstheorie van Einstein

Relativiteitstheorie van Einstein Einstein is tegenwoordig geen eigennaamwoord, maar een synoniem voor intelligentie. Maar wat heeft Albert Einstein nou eigenlijk bedacht? De relativiteitstheorie, een tak van de natuurkunde die zich bezig houdt met het heelal op een gigantische schaal. Over tijd en zwaartekracht. Het wiskundige element wordt hier grotendeels even buiten beschouwing gelaten, het gaat om de theorie zelf. Wat heeft Einstein bedacht, en wat betekent het voor de mens?

Tijd is relatief

Iedereen kent de uitdrukking "de tijd vliegt als je lol hebt". Dit komt omdat onze hersenen langzamer werken wanneer we lol hebben, en juist sneller wanneer er gevaar dreigt. Dat beïnvloedt onze perceptie van tijd. Je zou dus kunnen zeggen: tijd hangt van je emoties af. Maar Einstein heeft iets veel belangrijkers ontdekt. Tijd is inderdaad niet absoluut, maar relatief. Dat betekent dat de tijd voor u misschien sneller gaat dan voor mij, maar niet vanwege het feit dat ik geconcentreerd aan het schrijven ben, maar omdat u misschien op zolder zit en ik op de begane grond.

Vóór de relativiteitsleer had men al bedacht dat snelheden relatief zijn. Als u in een auto zit, en u rijdt op een andere auto uit tegenovergestelde riching af (niet aan te raden), dan is de snelheid waarmee u die auto nadert de snelheid van uw auto, plus die van de tegenligger. Dus als u en uw tegenligger met 100km/h op elkaar in rijden, nadert u elkaar met een snelheid van 100+100=200 km/h. Natuurkundigen uit die tijd (eind 19e/begin 20e eeuw) dachten dat hetzelfde het geval moest zijn bij licht. Als u op een lamp af zou rennen, zou de snelheid waarmee het licht u nadert de bekende lichtsnelheid (300.000 km/s) plus uw eigen snelheid moeten zijn (u bent waarschijnlijk geen topatleet, dus zo'n 18 km/h). Maar die natuurkundigen kwamen erachter dat dat niet het geval was, de lichtsnelheid bleek absoluut te zijn!

E=MC²

Albert Einstein ontdekte dat dat logisch was. De lichtsnelheid is volgens zijn theorie een snelheid die door niets en niemand te bereiken is, behalve door het licht zelf. Hij ontdekte namelijk dat massa (gewicht) een vorm van energie is, net als hitte en snelheid. De (versimpelde) formule E=MC² is vrij bekend. Hier staat letterlijk: de totale energie (van een object) is de massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat. Om een hogere snelheid te bereiken heeft een object meer energie nodig, en Einstein vertelde ons dat die energie er ook voor zorgt dat de massa van het object toeneemt. Met meer massa wordt het moeilijker om te versnellen tot een hogere snelheid. De lichtsnelheid zelf kan zo nooit behaald worden, dan zou de massa en dus de energie namelijk oneindig zijn. En oneindige energie is natuurlijk niet mogelijk, er is immers bepaald hoeveel energie er in ons universum aanwezig is.

Ruimtetijd

Einstein ontdekte de veroorzaker van de zwaartekracht, ruimtetijd. Hij ontdekte dat de ruimte rond een massa gebogen was, zodat andere objecten die gebogen ruimte volgden en dus tot een grotere massa aangetrokken worden. De ruimte om ons heen is dus gebogen, en wij krommen hem zelf ook met onze eigen massa. Maar die ruimte kromming blijkt ook effect te hebben op de tijd. Door dat de ruimte gebogen is, gaat de tijd langzamer. In een zwart gat is die kromming oneindig. De tijd staat daar dus stil!

Dit is voor veel mensen te abstract, maar het is ook dichter bij huis te zien. Als een tweeling zich opsplitst bijvoorbeeld, de een leeft voor 10 jaar in een onderzeeboot op de bodem van de oceaan, en de ander woont op Mount Everest. Na die 10 jaar zouden ze nog altijd even oud moeten zijn. Maar de man van de onderzeeboot blijkt jonger te zijn. Het scheelt weinig, slechts enkele seconden of misschien minuten. Dit komt omdat de man van de onderzeeboot dichter bij de aardkern was. Dat is het middelpunt van de massa van onze planeet, daar is de ruimte kromming het sterkst. Daar gaat de tijd dan ook het langzaamst. Daar heeft hij zelf niets van gemerkt, omdat zijn hersenen ook langzamer werkten. Daarom noemde Einstein die buigbare ruimte de ruimtetijd.

Als u dus op zolder zit, en ik op de begane grond, gaat de tijd voor mij langzamer. Niet dat ik zo langer jong blijf, tijd is namelijk relatief, dus ik vind een minuut net zo lang duren als u. Alleen duurt mijn minuut langer dan die van u, als je ze zou vergelijken. De kromming van de ruimtetijd wordt dus beïnlvoedt door massa, en is het sterkst bij het middelpunt van die massa. Die massa neemt weer toe als de energie toeneemt (E=MC²), dus ook als de snelheid toeneemt. Als de massa toeneemt wanneer de snelheid toeneemt, neemt de ruimtetijd buiging dus toe wanneer de snelheid toeneemt. Dit heeft nogal extreme gevolgen!

Wanneer een object versnelt, neemt zijn invloed op de ruimtetijd toe. Hij buigt het heelal zelf, en veroorzaakt zo zwaartekracht en tijdsdilatie (vertraging). Hoe hoger de snelheid, des te sterker het effect op de ruimtetijd. De lichtsnelheid kan dus nooit bereikt worden, want dan zou de ruimtetijd oneindig gebogen worden (tijd staat stil) en daar zou oneindige energie voor nodig zijn. Een singulariteit (zwart gat) kan dat waarschijnlijk wel, maar daarbij ligt het aan de verhouding massa-volume, en niet aan de snelheid.

Versnellen wordt steeds lastiger als een object de lichtsnelheid nadert. Pas bij ongeveer 90% van de lichtsnelheid worden de effecten duidelijk merkbaar, maar het wordt ook heel lastig om nog harder te gaan. De regel van de twee auto's die op elkaar inrijden geldt niet wanneer men over zulke snelheden praat. Om twee snelheden te relativeren door ze op te tellen is een speciale formule nodig: W=(V+U)/(1+VU/C²)

V en U zijn de twee snelheden, C is de constante voor de lichtsnelheid (300.000km/s), en W is de snelheid ten opzichte van elkaar. Je moet dan rekenen met procenten van de lichtsnelheid, stel 90%: (0,9+0,9)/(1+0,9*0,9/1²)= 0.9944751381% van de lichtsnelheid. Dit is ook exprerimenteel aangetoond door deeltjes in een deeltjesversneller te versnellen tot gigantische snelheden. Hoeveel energie ze er ook instopten, er kwam bij die 99,99999999% alleen maar steeds een negen bij. 100% van de lichtsnelheid is gewoon onmogelijk voor deeltjes met massa.

De vertraging van de tijd, de tijdsdilatie, wordt aangegeven met de kleine letter gamma, en is te berekenen met de formule γ=1/√(1-V²/C²). Dus de tijdsdilatie bij 90% van de lichtsnelheid is 1/√(1-0,9²/1²)= 2,294157339. De tijd is dus vertraagd met ongeveer een factor van 2,3! Tijd is dus een relatief begrip. Het ligt aan de ruimtetijd kromming waar je je in bevindt.

Volgens sommige wetenschappers is het wel mogelijk dat er deeltjes bestaan die constant een hogere snelheid dan die van het licht hebben, de zogenaamde tachyonen. Deze deeltjes zouden een negatieve of een imaginaire (kwadraat van een negatief getal) massa hebben, en kunnen daarom de lichtsnelheid niet bereiken en er ook niet onder komen, omdat minder energie voor hen meer snelheid betekent. Voor ons betekent meer energie meer snelheid, maar meer energie zou tachyonen juist afremmen. Die tachyonen zouden dan ook een omgekeerde tijd kunnen hebben, waardoor ze tijdreizen voor ons misschien mogelijk maken. Maar deze deeltjes zijn slechts theoretisch en bestaan volgens velen niet.

Gevolgen relativiteitstheorie

De relativiteitstheorie heeft nog een aantal meer gevolgen, zoals zwaartekrachtgolven en wormgaten. Een andere opmerkelijke ontdekking die met behulp van de relativiteitsleer is gedaan is dat de kromme ruimtetijd er ook voor zorgt dat licht gebogen wordt. Licht is energie die zich verplaatst via het elektromagnetisch veld, en beweegt zich altijd in een rechte lijn voort. Maar als de ruimte om een object krom is, zou die "rechte lijn" dus een bocht bevatten. Die in niet makkelijk op te merken, maar het is astronomen gelukt om naar de zon te kijken terwijl de maan er voor schoof (zonsverduistering). Het viel men op dat een aantal sterren op de achtergrond plotseling van plaats veranderden. De zon, met zijn behoorlijke massa, boog het licht van die sterren, waardoor het voor ons lijkt alsof die sterren op een andere plek staan dan voorheen. Einstein had voorspeld dat dit effect voor grote lens effecten zou moeten zorgen, de zogenaamde gravitatielenzen bij grote massa's (sterrenstelsels en zelfs de gigantische superclusters). Deze gravitatielenzen laten ons zien wat er zich verderop in het heelal bevindt, doordat het licht gebundeld wordt. Met computers kan men uit de resulterende lichtbollen uitwerken hoe het er achter de lens uit moet zien.

Lichtbarrière

Met de relativiteitstheorie ontstond de lichtbarrière. De geluidsbarrière kon gewoon doorbroken worden door te versnellen, maar de lichtsnelheid is een stuk lastiger. Niet "the sky is the limit", maar "lightspeed is the limit". En aangezien het met de lichtsnelheid al 4,5 jaar zou duren om bij de dichtsbijzijnste ster te komen (op onze eigen zon na, namelijk 8 minuten), wil de wetenschap heel graag een manier om de natuurwetten te breken en onze ruimteschepen zo hard laten gaan, dat we de Melkweg kunnen koloniseren. Maar dat blijft een droom die nog lang geen werkelijkheid is.
© 2006 - 2017 Joeri, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Einstein en wormgatenAlbert Einstein publiceerde zowel de speciale als de algemene relativiteitstheorie. Dit zette de natuurkunde op zijn kop…
Uitvinders & EinsteinUitvinders & EinsteinEinstein is voor velen gelijk aan de formule E=MC² . Wie heeft daar nog nooit van gehoord? Het is de bekendste formule g…
Einstein in Nederland, boekbespreking Sybe Izaak RispensEinstein in Nederland, boekbespreking Sybe Izaak RispensEinstein is een icoon geworden en staat symbool voor de geniale mens. Dit beeld is zwaar overdreven. Einstein was een ma…
Biografie van Albert EinsteinAlbert Einstein werd geboren op 14 maart 1879 in Ulm, Duitsland. Op 5 jarige leeftijd kreeg hij zijn eerste kompas. Op d…
Relativiteit écht begrijpen: TijddilatatieDit artikel gaat over het fenomeen tijddilatatie. Dit begrip komt uit de speciale relativiteitstheorie van Albert Einste…
Bronnen en referenties

Reageer op het artikel "Relativiteitstheorie van Einstein"

Plaats een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Reacties

Wisse Wester, 10-01-2017 15:56 #16
Ik heb een vraag. Ik heb een tijdje terug zitten denken over dat iets met massa nooit richting lichtsnelheid zou gaan maar dit is incorrect. Als een object zonder weerstand beweegt wat tot nu toe nog niet kan maar wat zeer zeker mogelijk moet zijn zou de massa niet uitmaken. Einstein heeft in zijn theorie het over licht en hoe je een object kan voortbewegen met licht wat kan dat weten we tenslote van de lichtmolen. Maar toen ik dit in de trein aan het lezen was op zoek naar mijn vraag viel me iets op Einstein wist dat zijn theorie ontkracht kon worden met magnetisme want als een object geen fysiek maakt met een rails en dit zich in een vacuum bevind zou dit object tot zeer hoge snelheden accelereren ik heb hier meerdere mensen over gemaild maar ik blijf de rug toegekeerd krijgen terwijl dit ons een flink stuk dichterbij lichtsnelheid zou brengen. Dus bij deze de vraag wilt u mij helpen?

Marofer, 10-07-2015 20:32 #15
We praten over tijdsreizen naar de toekomst.
Maar zou het dan mogelijk zijn dat tachyonen, aangezien ze negatieve energie hebben en aan de andere zijde van de lichtsnelheid staan, ons kunnen laten terugreizen in de tijd?

Hans, 04-10-2014 22:55 #14
Is het gedachten experiment met de lichtklok de basis van van deze theorie?
De lichtbundel die vanuit het midden van de trein naar de voorkant gaat komt eerder bij waarnemer dan de lichtbundel die naar de achterkant gaat,
Volgens mij wordt hier aangetoond dat waarnemingen veranderen onder invloed van snelheid.
Een klok geeft de tijd aan maar is geen tijd.
Wordt hier geen vergissing gemaakt door te stellen dat de tijd veranderd onder invloed van snelheid en zwaartekracht?
Wel de waarneming ( van de klok)

Imke (14), 06-05-2014 14:14 #13
Heel interessant artikel! Ik was al lang nieuwsgierig naar dit onderwerp maar niemand wilde moeite doen om het uit te leggen vanwege mijn leeftijd. Ik wil zeker niet zeggen dat ik het nu helemaal begrijp, maar ik vond het zeker leuk om te lezen! Bedankt!

Bart, 12-02-2014 13:37 #12
U zegt dat alle deeltjes met massa de snelheid van het licht niet volledig kunnen bereiken, maar hoe zit het dan met het 'higgs-deeltje' of 'het Gods deeltje', dat heeft zelf toch geen massa? Zou dat dan de snelheid van het licht evenaren?

Tienco Venema, 07-10-2013 22:20 #11
Waar is het einde, is er wel een einde waarschijnlijk niet maar kunnen wij dit
beredeneren?

Ali, 21-04-2013 14:47 #10
Echt interessant! Het is eerst wat moeilijk te vatten. Maar zal vast aan mn leeftijd liggen xD ( 14).

Carlos, 02-02-2013 09:04 #9
Nou! heel interresant, maar met mijn niet wetenschappelijk verstand, is het eerste dat ik me afvroeg of volgens de relativiteitstheorie van Einstein een vrouw het langst geniet van sex, daar zij aan de onderkant ligt en haar verstand trager werkt t.o.v van de man boven.

Rachid, 07-02-2012 19:27 #8
Mijn vraag heeft bestaat eigenlijk uit een hypothetische gedachte verkregen door beschikbare wetenschappelijke informatie:

Als massa ruimte tijd buigt (getuige hoe planeten om elkaar draaien en nav Einsteins theorie) betekend dat dan niet eigenlijk dat massa geen ruimte tijd bezit en zodoende ruimtetijd eigenlijk buiten zijn atomen drukt waardoor het buigt om het object heen? Maw kun je het dan vergelijken met een object in water?

Fransamsterdam, 19-11-2011 12:01 #7
In het artikel staat: "En aangezien het met de lichtsnelheid al 4,5 jaar zou duren om bij de dichtsbijzijnste ster te komen (op onze eigen zon na, namelijk 8 minuten), wil de wetenschap heel graag een manier om de natuurwetten te breken en onze ruimteschepen zo hard laten gaan, dat we de Melkweg kunnen koloniseren. Maar dat blijft een droom die nog lang geen werkelijkheid is."
Ik ben het hier niet mee eens. Voor het koloniseren van de Melkweg is geen retourvlucht nodig, een enkele reis is genoeg. De dichtstbijzijnde ster staat op ongeveer 4.5 lichtjaar. U stelt dat het om daar te komen, als je met de lichtsnelheid zou reizen, dat al 4.5 jaar duurt. Ik kan dat niet volgen. Stel ik ga met een raket die een snelheid van 95% van de lichtsnelheid heeft. Dan is de tijdsdilitatie ongeveer 3. Dan kom ik toch al na iets meer dan anderhalf jaar aan? Of niet?

C. Pont, 23-09-2011 12:12 #6
Hoe kan de ruimtekromming het sterkst zijn bij de kern, als de zwaartekracht in het middelpunt der aarde nul is! Ik heb dat altijd zo begrepen en beredeneerd. Ik denk zelfs dat in het middelpunt van een zwart gat gewichtloosheid heerst.

Nora, 16-11-2010 14:09 #5
"Als u op een lamp af zou rennen, zou de snelheid waarmee het licht u nadert de bekende lichtsnelheid (300.000 km/s) plus uw eigen snelheid moeten zijn (u bent waarschijnlijk geen top atleet, dus zo'n 18 km/h)."

Ik snap dit niet, kun je dit uitleggen?

Jan van Zwol, 27-01-2009 13:26 #4
Een uitstekend artikel met goede voorbeelden. In ieder geval minder abstract als bij wikipedia, ook al wordt daar de uitleg mondeling toegelicht.:-)

Ron Willems, 02-08-2008 16:07 #3
Dankjewel voor dit verhaal. Vroeg me al heel lang af hoe het mogelijk is dat twee tegengesteld bewegende objecten snelheden boven de 50% vd lichtsnelheid kunnen bereiken. In alle onwetendheid dacht ik nog altijd dat 0,5+0,5 = 1 :-)

Enza_9o- (infoteur), 26-02-2008 10:16 #2
Dit is een goed verhaal, een goeie uiteenztting en is zeer leerrijk om gelezen te worden! Dank U! Groetjes.

Noot, 13-11-2007 22:16 #1
Eh… ik zie dat dit al bijna een jaar geleden gepubliceerd is, maar er staat een klein foutje in: imaginair = kwadraat van een negatief getal? Nee, de vierkantswortel (en dus: een negatief getal is het kwadraat van een imaginair getal). Dit weet de auteur natuurlijk ook, maar misschien niet alle lezers. Groet.

Infoteur: Joeri
Gepubliceerd: 07-12-2006
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Natuurkunde
Bronnen en referenties: 1
Reacties: 16
Schrijf mee!