När relativitetsteorin uppstod i början av 1900-talet, omkullkastade den århundraden av vetenskap och gav fysikerna en ny förståelse för tid och rum. Isaac Newton såg rum och tid som fasta, men i den nya bild som den speciella relativitetsteorin och den allmänna relativitetsteorin gav var de flytande och formbara.

Vem kom på relativitetsteorin?

Albert Einstein. Han publicerade den första delen av sin teori – den speciella relativitetsteorin – i den tyska fysiktidskriften Annalen der Physik 1905 och slutförde sin teori om den allmänna relativitetsteorin först efter ytterligare ett decenniums svårt arbete. Han presenterade den senare teorin i en serie föreläsningar i Berlin i slutet av 1915 och publicerade den i Annalen 1916.

Vad är speciell relativitetsteori?

Teorin bygger på två nyckelbegrepp.

• För det första tillåter naturens värld inga ”privilegierade” referensramar. Så länge ett föremål rör sig i en rak linje med konstant hastighet (det vill säga utan acceleration) är fysikens lagar desamma för alla. Det är lite som när du tittar ut genom ett tågfönster och ser att ett intilliggande tåg verkar röra sig – men rör det sig, eller rör du dig? Det kan vara svårt att avgöra. Einstein insåg att om rörelsen är helt jämn är det bokstavligen omöjligt att veta – och identifierade detta som en central princip inom fysiken.
• Sekund, ljuset färdas med en oföränderlig hastighet på 186 000 miles per sekund. Oavsett hur snabbt en observatör rör sig eller hur snabbt ett objekt som avger ljus rör sig, ger en mätning av ljusets hastighet alltid samma resultat.

Med utgångspunkt i dessa två postulat visade Einstein att rum och tid är sammanflätade på ett sätt som vetenskapsmännen aldrig tidigare hade insett. Genom en rad tankeexperiment visade Einstein att konsekvenserna av den speciella relativitetsteorin ofta är kontraintuitiva – till och med uppseendeväckande.

Om du susar fram i en raket och passerar en vän i en identisk men långsammare raket, kommer du till exempel att se att din väns klocka tickar långsammare än din (fysiker kallar detta för ”tidsdilatation”).

Vad mer, din väns raket kommer att verka kortare än din egen. Om din raket blir snabbare kommer din och raketens massa att öka. Ju snabbare du åker, desto tyngre blir saker och ting och desto mer kommer din raket att motstå dina ansträngningar att få den att åka snabbare. Einstein visade att ingenting som har en massa någonsin kan nå ljusets hastighet.

En annan konsekvens av den speciella relativitetsteorin är att materia och energi är utbytbara via den berömda ekvationen E = mc² (där E står för energi, m för massa och c² ljusets hastighet multiplicerat med sig själv). Eftersom ljusets hastighet är ett så stort tal är även en liten mängd massa likvärdig med – och kan omvandlas till – en mycket stor mängd energi. Det är därför atom- och vätebomber är så kraftfulla.

Vad är allmän relativitetsteori?

I huvudsak är det en teori om gravitationen. Den grundläggande idén är att i stället för att vara en osynlig kraft som drar till sig föremål till varandra är gravitationen en krökning eller förvrängning av rymden. Ju mer massivt ett objekt är, desto mer förvränger det utrymmet runt omkring det.

Solen är till exempel tillräckligt massiv för att förvränga utrymmet i hela vårt solsystem – lite på samma sätt som en tung boll som vilar på en gummilapp förvränger lakanet. Som ett resultat av detta rör sig jorden och de andra planeterna i krökta banor (omloppsbanor) runt den.

Denna förvrängning påverkar också tidsmätningar. Vi tenderar att tänka oss att tiden tickar iväg i en jämn takt. Men på samma sätt som gravitationen kan tänja eller förvränga rymden kan den också utvidga tiden. Om din vän klättrar upp på toppen av ett berg kommer du att se att hans klocka tickar snabbare jämfört med din; en annan vän, på botten av en dal, kommer att ha en långsammare tickande klocka, på grund av skillnaden i gravitationens styrka på varje plats. Senare experiment visade att detta verkligen sker.

Hur ser relativitetsteorin ut ”under huven”?

Den speciella relativitetsteorin är i slutändan en uppsättning ekvationer som relaterar det sätt på vilket saker och ting ser ut i en referensram till det sätt på vilket de ser ut i en annan – töjningen av tid och rymd, och ökningen av massa. Ekvationerna är inte mer komplicerade än gymnasiematematik.

Den allmänna relativitetsteorin är mer komplicerad. Dess ”fältekvationer” beskriver förhållandet mellan massa och rummets krökning och tidens utvidgning, och lärs vanligtvis ut i fysikkurser på högskolenivå.

Tester av den speciella och allmänna relativitetsteorin

Under det senaste århundradet har många experiment bekräftat giltigheten av både den speciella och den allmänna relativitetsteorin. I det första stora testet av den allmänna relativitetsteorin mätte astronomer 1919 avböjningen av ljuset från avlägsna stjärnor när stjärnljuset passerade vår sol, vilket bevisade att gravitationen faktiskt förvränger eller kröker rymden.

År 1971 testade forskare båda delarna av Einsteins teori genom att placera exakt synkroniserade atomklockor i passagerarflygplan och flyga dem runt om i världen. En kontroll av klockorna efter att planen landat visade att klockorna ombord på flygplanen gick en liten bit långsammare (mindre än en miljondels sekund) än klockorna på marken.

Undervikelsen berodde på flygplanens hastighet (en speciell relativitetseffekt) och deras större avstånd från jordens gravitationsfält (en allmän relativitetseffekt).

Under 2016 var upptäckten av gravitationsvågor – subtila krusningar i rymdtidens väv – ytterligare en bekräftelse på den allmänna relativitetsteorin.

Relativitetsteorin i praktiken

Även om idéerna bakom relativitetsteorin verkar esoteriska har teorin haft en enorm inverkan på den moderna världen.

Kärnkraftverk och kärnvapen skulle till exempel vara omöjliga utan kunskapen om att materia kan omvandlas till energi. Och vårt satellitnätverk GPS (Global Positioning System) måste ta hänsyn till de subtila effekterna av både den speciella och den allmänna relativitetsteorin; om de inte gjorde det skulle de ge resultat som var flera kilometer fel.

Följ NBC NEWS MACH PÅ TWITTER, FACEBOOK OCH INSTAGRAM.

”A Wrinkle in Time” har troligen rätt om multipla dimensioner

17 mars 201803:13

.