De relativiteitstheorie is de naam van twee theorieën van Albert Einstein (1879-1955); de speciale relativiteitstheorie en de algemene relativiteitstheorie.
Historische achtergrond
Tot Einsteins tijd werd er verondersteld dat er een absolute beweging bestond. De beweging van (bijvoorbeeld) een voorwerp ten opzichte van de 'stilstaande' ether. De ether is het medium waarin men dacht dat de lege ruimte gevuld was. Deze ether moest in de eerste plaats bestaan om het theoretisch mogelijk te maken dat zonlicht zich voortplant door de ruimte. De lichtsnelheid ten opzichte van de ether zou dan een andere waarde hebben dan de lichtsnelheid, die wij op aarde meten, omdat de aarde zich met een bepaalde snelheid door de ether beweegt. Dit in analogie tot de situatie bij geluid, waar de snelheid door de lucht contant is. Vanuit een rijdende trein wordt dan een andere geluidsnelheid gemeten.
Einstein beweerde dat dit voor licht niet waar was. Volgens hem bestaat er geen absolute snelheid en ook geen ether en kan je alleen over relatieve snelheden praten (een bepaalde snelheid ten opzichte van een bepaald referentiekader). Hij sprak dit uit in zijn zeer befaamde speciale relativiteitstheorie (speciaal vanwege de geldigheid bij alleen constante snelheden) in 1905. Hij baseerde zijn theorie op een tweetal postulaten:
- de lichtsnelheid c is in elk inertiaalstelsel constant en
- in elk inertiaalstelsel gelden dezelfde natuurwetten.
Deze aannames zorgen voor een zeer revolutionaire verandering in het idee over ruimte en tijd. Je kunt niet meer spreken van absolute ruimte of tijd, zoals Newton deed, maar alleen van relatieve ruimte of tijd. Deze theorie impliceert dat het onmogelijk is om de snelheid van het licht te bereiken en dat bij snelheden die de snelheid van het licht benaderen massa en de tijd veranderen en wel op zo'n manier dat het tegen ons gezonde verstand indruist. Hoe gek het ook klinkt is deze theorie voor het uitkomen ervan al bewezen in het 'mislukte' experiment van Michelson en Morley om het bestaan van de ether aan te tonen. Einstein heeft wat betreft het idee zwaartekracht zeer vernieuwend opgetreden met zijn algemene relativiteitstheorie (1915). Hij stelde dat er geen verschil bestaat tussen versnelling en zwaartekracht (ga maar na: in een lift met 9,8 m/s2 naar boven schieten (ergens in afgelegen plekje in de ruimte) geeft hetzelfde gevoel als op aarde te staan en met 9,8 N/kg (of m/s2 ) naar beneden te worden getrokken). Hij stelde dus dat materie de ruimte vervormt. We vallen dus naar de aarde toen vanwege een kromming van de ruimte ten gevolge van de massa van de aarde. Dit is natuurlijk zeer vreemd in verhouding met de ideeën van Newton. Tijdens een zonsverduistering is deze theorie in 1919 bewezen. Ook biedt deze theorie de oplossing voor het waarom van de verspringende baan van Mercurius om de zon.
Speciale relativiteitstheorie
De speciale relativiteitstheorie (1906) beschrijft de beweging van objecten waar geen krachten op werken. Het gaat uit van twee uitgangspunten: - Elke waarnemer die zich eenparig beweegt ziet dezelfde natuurwetten
- De lichtsnelheid is een universele constante
Omdat het onder deze regels zo moet zijn dat een lichtstraal voor twee waarnemers die ten opzichte van elkaar bewegen toch dezelfde snelheid moet hebben, gelden de normale regels van de Newtoniaanse mechanica niet meer - volgens deze theorie zou iemand die zich in dezelfde richting beweegt als een lichtstraal een lagere snelheid moeten meten dan iemand die zich in tegenovergestelde richting beweegt.
Deze problemen worden opgelost door de regels hoe plaatsen, tijden en afstanden van het ene naar het andere stelsel worden overgezet, te veranderen. Gevolg van deze regels is bijvoorbeeld dat bewegende objecten korter zijn dan stilstaande en dat sneller dan het licht reizen niet mogelijk is.
Algemene relativiteitstheorie
De algemene relativiteitstheorie (1915) breidt de speciale relativiteitstheorie uit, door ook objecten waarop krachten inwerken mee te nemen. Het gaat uit van het uitgangspunt dat een eenparige versnelling en een constant gravitatieveld niet van elkaar onderscheiden kunnen worden. Dit heeft tot gevolg dat gravitatie gelijk moet worden gesteld aan kromming van de ruimte.
Tot nog toe hebben alle experimenten de theorie bevestigd. Er is nog wel een probleem met de kwantummechanica, daar er nog geen theorie is die beiden beschrijft. In de meeste gevallen kunnen natuurkundigen met een theorie volstaan, de kwantummechanica op subatomaire schaal, de relativiteitstheorie op kosmische schaal, en 'simpele' Newtoniaanse mechanica op tussenliggende schalen, maar in enkele gevallen is de combinatie tussen sterke gravitatie en kleine schaal dusdanig dat beide theorieën invloed hebben, in het bijzonder bij zwarte gaten en in de eerste korte tijd na de oerknal.
Zie ook: stringtheorie
