Over ruimte-tijd en relativiteitNaar aanleiding van ‘Het heelal’ van Stephen Hawking wil ik in het volgende proberen het één en ander op een rijtje te zetten, wat een goede oefening voor mezelf is, en hopelijk hebben anderen er ook nog wat aan. Bij gebrek aan een wetenschappelijk subforum (waar ik hier chronisch last van heb) plaats ik het maar weer eens onder mijn favoriete subforum, 'Lager Bewustzijn', wat ik wellicht anders interpreteer dan de gemiddelde kostganger hier.
Tot in de renaissance dacht men dat tijd een absoluut gegeven was. Voor de tijd van Copernicus en Galilei heerste de Aristotelische opvatting, die er onder andere van uitging dat het heelal statisch was, met als middelpunt een in rust verkerende Aarde. Men zou dan kunnen stellen dat object A rust, en dat object B met een constante snelheid ten opzichte van A beweegt, of juist andersom. Zo simpel is het echter niet. Stephen Hawking geeft als voorbeeld een trein die zich van zuid naar noord beweeft: het kan de trein zijn die naar het noorden rijdt, maar het kan ook de aarde zijn die met een bepaalde snelheid naar het zuiden zakt, terwijl de trein stilstaat. In beide gevallen zouden zwaartekrachtexperimenten aan boord van de trein gelijk uitvallen, wat betekent dat de zwaartekrachtwetten zoals reeds geformuleerd door Isaac Newton werken in beide gevallen. Als gevolg hiervan valt niet zomaar te bepalen wélke van de twee objecten nu precies beweegt ten opzichte van de andere.
Hawkings gaat verder. Als men in de snel rijdende trein een pingpongballetje bijvoorbeeld zodanig laat stuiteren dat deze iedere seconde de vloer raakt, dan heeft deze gebeurtenis geen vaste plek in de ruimte en tijd, omdat gedurende die seconde per stuiter de trein zo’n veertig meter spoor heeft afgelegd. Dat laatste zou duidelijk zijn voor iemand die naast het spoor stond. Zodoende kan men niet uitgaan van vaste rustpunten in de ruimte-tijd. Zo bleek uit experimenten later ook dat licht ons altijd met dezelfde snelheid bereikte, ondanks de richting waaruit het kwam. Men dacht eerst namelijk dat het verschil maakte of licht kwam uit een hoek die recht op de bewegingslijn van de Aarde stond, of uit een hoek in het verlengde van de bewegingslijn. In het laatste geval zou, zo dacht men, het licht sneller moeten gaan om ons te kunnen bereiken.
In 1905 opperde Albert Einstein dat alles koek en ei was, zolang men het idee van absolute tijd maar opgaf. Hij formuleerde wat bekend zou worden als de relativiteitstheorie. Dit betekende simpel gezegd dat alle natuurwetten altijd werkzaam waren op constant bewegende waarnemers, ondanks hun snelheid. Zo was het ineens aannemelijk dat lichtsnelheid altijd gelijk was, ongeacht wie het waar waarnam. Het directe gevolg van deze gedachte was dat niets ooit sneller dan het licht zou kunnen reizen. Einstein formuleerde zodoende zijn beroemde E=mc2, d.i. energie is massa maal lichtsnelheid in het kwadraat. Dit betekent zoveel als dat de massa van een object toeneemt naarmate het sneller gaat, en aangezien massa en energie gelijk staan, zou dit betekenen dat bij enorme snelheden tevens enorme hoeveelheden energie vereist zijn, en dit houdt een keer op. De massa en dus de vereiste hoeveelheid energie stijgt immens naarmate een bewegend object de lichtsnelheid nadert: bij 90% van de snelheid is de massa al verdubbeld.
Aansluitend een zijsprongetje. We kennen natuurlijk allemaal de zwaartekracht, maar nu moeten we aannemen dat zwaartekracht niet iets is wat rechtlijnig verloopt, maar juist iets is wat de ruimte-tijd verbuigt en kromt als gevolg van de verdeling van massa en energie die zich erin bevindt. Als we het zwaartekrachtveld van de zon tot een plat tweedimensionaal vlak zouden maken, dan zou de Aarde een rechte lijn lijken te volgen: de kortste en efficiëntste route (geodetische lijn), zoals een vliegtuig die rechtstreeks van A naar B vliegt, hoewel de lijn in de driedimensionale ruimte toch krom lijkt als gevolg van de bolling van de Aarde.
Ook licht volgt ‘geodetische’ lijnen. De zwaartekracht van de Zon leidt ertoe dat lichtstralen van sterren die ons vlak langs de Zon bereiken, voor ons het idee geven dat die sterren inderdaad op die positie staan. In feite zitten deze sterren echter nog geheel verstopt voor onze blik achter de Zon. Deze buigt de stralen dus om, zodat wij een ster menen te zien. Dit is o.a. bewezen door observaties tijdens zonsverduisteringen.
De relativiteitstheorie voorspelt tevens dat massieve massa’s (met hun zwaartekrachtvelden) de tijd verbuigen. De tijd verloopt trager naarmate men dichterbij zo’n massa komt. Dit is o.a. bewezen door experimenten met zeer nauwkeurige klokken. Eentje aan de voet van een watertoren (dicht bij de Aarde), en eentje erboven op (verder van de Aarde): na een poosje traden kleine tijdsverschillen op. Dit komt doordat lichtgolven in zwaartekrachtvelden op den duur energie verliezen. Dat houdt in dat die golven langer worden, de frequentie neemt af, waardoor de duur van de golfbewegingen toeneemt. Het is namelijk zo dat hoe hoger de frequenties zijn, hoe hoger de energie ook is. Het is dit gedachtengoed dat schuilt achter het voorbeeld van een ruimtereiziger die op lichtsnelheid reist: als hij naar zijn klokmaatstaven na tien jaar terugkeert op Aarde, dan zou daar in die periode veel meer tijd verstreken zijn.
Op deze manier heeft massa invloed op de structuur van de ruimte-tijd, en heeft de ruimte-tijd invloed op massa en de fysieke gebeurtenissen.
Registreer
Aanmelden
FAQ
Zoek
.