Toen de relativiteitstheorie begin 1900 verscheen, gooide ze eeuwen van wetenschap overhoop en gaf ze natuurkundigen een nieuw inzicht in ruimte en tijd. Isaac Newton zag ruimte en tijd als vast, maar in het nieuwe beeld dat de speciale relativiteit en de algemene relativiteit gaven, waren ze vloeibaar en kneedbaar.

Wie kwam met de relativiteitstheorie?

Albert Einstein. Hij publiceerde het eerste deel van zijn theorie – de speciale relativiteit – in het Duitse natuurkundige tijdschrift Annalen der Physik in 1905 en voltooide zijn theorie van de algemene relativiteit pas na nog eens tien jaar moeizaam werk. Deze laatste theorie presenteerde hij eind 1915 in een reeks voordrachten in Berlijn en publiceerde hij in 1916 in de Annalen.

Wat is speciale relativiteit?

De theorie is gebaseerd op twee sleutelbegrippen.

• Ten eerste: de natuurlijke wereld laat geen “bevoorrechte” referentiekaders toe. Zolang een voorwerp zich in een rechte lijn met een constante snelheid voortbeweegt (dus zonder versnelling), zijn de natuurwetten voor iedereen gelijk. Het is een beetje zoals wanneer je uit een treinraampje kijkt en een aangrenzende trein ziet bewegen – maar beweegt hij, of jij? Het kan moeilijk te zeggen zijn. Einstein erkende dat als de beweging perfect uniform is, het letterlijk onmogelijk is om dat te zien – en identificeerde dit als een centraal principe van de fysica.
• Tweede, licht reist met een onveranderlijke snelheid van 186.000 mijl per seconde. Het maakt niet uit hoe snel een waarnemer beweegt of hoe snel een lichtgevend voorwerp beweegt, een meting van de snelheid van het licht geeft altijd hetzelfde resultaat.

Uitgaande van deze twee postulaten, toonde Einstein aan dat ruimte en tijd met elkaar verweven zijn op manieren die wetenschappers zich nooit eerder hadden gerealiseerd. Door middel van een reeks gedachte-experimenten toonde Einstein aan dat de gevolgen van de speciale relativiteit vaak contra-intuïtief zijn – zelfs opzienbarend.

Als je bijvoorbeeld aan het zoomen bent in een raket en je passeert een vriend in een identieke, maar langzamer bewegende raket, dan zul je zien dat het horloge van je vriend langzamer tikt dan dat van jou (natuurkundigen noemen dit “tijddilatatie”).

Wat meer is, de raket van je vriend zal korter lijken dan die van jou. Als jouw raket sneller gaat, neemt jouw massa en die van de raket toe. Hoe sneller je gaat, hoe zwaarder de dingen worden en hoe meer je raket zich zal verzetten tegen je pogingen om hem sneller te laten gaan. Einstein toonde aan dat niets dat een massa heeft ooit de lichtsnelheid kan bereiken.

Een ander gevolg van de speciale relativiteit is dat materie en energie onderling verwisselbaar zijn via de beroemde vergelijking E = mc² (waarin E staat voor energie, m voor massa, en c² de lichtsnelheid vermenigvuldigd met zichzelf). Omdat de lichtsnelheid zo’n groot getal is, is zelfs een kleine hoeveelheid massa gelijk aan – en kan worden omgezet in – een zeer grote hoeveelheid energie. Daarom zijn atoom- en waterstofbommen zo krachtig.

Wat is algemene relativiteit?

Het is in wezen een theorie van de zwaartekracht. Het basisidee is dat zwaartekracht geen onzichtbare kracht is die voorwerpen naar elkaar toe trekt, maar een kromming of vervorming van de ruimte. Hoe massiever een object, hoe meer het de ruimte eromheen kromt.

Zo is de zon massief genoeg om de ruimte in ons zonnestelsel te krommen – een beetje zoals een zware bal die op een rubberen vel rust, het vel kromtrekt. Als gevolg daarvan bewegen de aarde en de andere planeten in gebogen banen eromheen. Wij denken dat de tijd in een gestaag tempo wegtikt. Maar net zoals zwaartekracht de ruimte kan uitrekken of vervormen, kan het ook de tijd verwijden. Als je vriend naar de top van een berg klimt, zul je zijn klok sneller zien tikken dan die van jou; een andere vriend, onder in een dal, zal een langzamer tikkende klok hebben, vanwege het verschil in de sterkte van de zwaartekracht op elke plaats. Latere experimenten bewezen dat dit inderdaad gebeurt.

Hoe ziet relativiteit er ‘onder de motorkap’ uit?’

Speciale relativiteit is uiteindelijk een verzameling vergelijkingen die de manier waarop dingen er in het ene referentiekader uitzien, relateert aan hoe ze er in een ander kader uitzien – de uitrekking van tijd en ruimte, en de toename van massa. De vergelijkingen zijn niet ingewikkelder dan wiskunde op de middelbare school.

Algemene relativiteit is ingewikkelder. De “veldvergelijkingen” beschrijven het verband tussen massa en de kromming van de ruimte en de dilatatie van de tijd, en worden gewoonlijk onderwezen in universitaire natuurkundecursussen op doctoraal niveau.

Proeven van speciale en algemene relativiteit

In de afgelopen eeuw hebben vele experimenten de geldigheid van zowel de speciale als de algemene relativiteit bevestigd. In de eerste grote test van de algemene relativiteit maten astronomen in 1919 de afbuiging van het licht van verre sterren toen het sterlicht langs onze zon scheerde, waarmee zij bewezen dat de zwaartekracht inderdaad de ruimte vervormt of kromt.

In 1971 testten wetenschappers beide delen van Einsteins theorie door nauwkeurig gesynchroniseerde atoomklokken in lijnvliegtuigen te plaatsen en deze rond de wereld te vliegen. Een controle van de uurwerken nadat de vliegtuigen waren geland, toonde aan dat de klokken aan boord van de vliegtuigen een heel klein beetje langzamer liepen dan (minder dan een miljoenste van een seconde) de klokken op de grond.

Het verschil was het gevolg van de snelheid van de vliegtuigen (een speciaal relativiteitseffect) en hun grotere afstand tot het middelpunt van het zwaartekrachtsveld van de aarde (een algemeen relativiteitseffect).

In 2016 was de ontdekking van gravitatiegolven – subtiele rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd – een andere bevestiging van algemene relativiteit.

Relativiteit in de praktijk

Hoewel de ideeën achter relativiteit esoterisch lijken, heeft de theorie een enorme impact gehad op de moderne wereld.

Nucleaire energiecentrales en kernwapens, bijvoorbeeld, zouden onmogelijk zijn zonder de kennis dat materie kan worden omgezet in energie. En ons GPS (global positioning system) satellietnetwerk moet rekening houden met de subtiele effecten van zowel speciale als algemene relativiteit; als ze dat niet deden, zouden ze resultaten geven die er mijlenver naast zaten.

FOLLOW NBC NEWS MACH ON TWITTER, FACEBOOK, AND INSTAGRAM.

‘A Wrinkle in Time’ heeft waarschijnlijk gelijk over meerdere dimensies

March 17, 201803:13