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 richting 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 beïnvloedt 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 experimenteel 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 dichtbijzijnste 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.