Relativitetsteorin

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

Relativitetsteorin var precis som Rom, inte byggd på en dag. Det tog över hundra år för människan att förstå sig på den. Trots allt så är det bara en teori, ett antal ekvationer som kombinerades av en av världshistoriens viktigaste vetenskapsmän. Men han fick förstås hjälp av andra kollegor. Mannen jag syftar på är Albert Einstein.

Berättelsen om relativitetsteorin börjar med att en man vid namn James Clerk Maxwell hade en teori om att det fanns fyra olika ”etrar” i luften som bl. a ljus transporterades i. Han försökte påvisa sin teori genom att reflektera ljus mot en spegel. Hans teori skulle då vara att det skulle ta kortare tid för ljuset att färdas längs med etern än vad det skulle göra att färdas vinkelrätt mot den. Det var tyvärr ingen tidsskillnad, men ändå publicerade han en artikel om ”Den maxwellska förskjutningen”. Denna artikel förkastades relativt snabbt efter mer kritiska undersökningar av andra vetenskapsmän. Ett liknande försök gjordes av forskarna Michelson och Morley, men med samma nedslående resultat. Tanken om att en ljuseter existerade förkastades.

Efter detta var det ett tiotal vetenskapsmän och matematiker som försökte hitta ett samband mellan ljus, rum och tid men de blev utan resultat. Fransosen Henri Poincaré var den fullständiga teorin på spåren under en lång tid. Han upptäckte att observatörer i olika referenssystem har klockor som visar ”lokal tid” i de referenssystem som den finns, och även att en observatör inte kan avgöra om han befinner sig i vila eller i absolut rörelse. Han kom tyvärr inte mycket längre, så istället klev en ung tyskfödd fysiker in i bilden: Albert Einstein (1879-1955).


Albert Einstein

Denne Einstein var tidigt under tonåren intresserad av ellärans och magnetismens samband och konsekvenser. Einstein tog hjälp av Poincarés teori om att olika referenssystem inte kan ha samma lokala tid utan en sammankoppling av dem. 1905 publicerade Einstein sin artikel ”Zur Elektrodynamik bewegter Körper” i den ledande vetenskapsskriften: ”Annalen der Physik”. Han hade konstruerat artikeln på ett smart sätt, där han inte förklarade några experimentella resultat utan använde en lättförståelig teoriredovisningsmetod. Artikeln bestod av två delar; en del med kinematik (bl. a hastighetsaddition), och en del innehöll teorier om elektrodynamik. Senare samma år skrev Einstein ännu en artikel, där den berömda formeln E=mc2 ingick. Formeln kom att bli den första teorin som förklarade förhållandet mellan energi och massa. Ekvationen E=mc2 kom att bli till stor vikt vid redogörelsen om hur solen återanvänder sig själv för att skapa energi.

Einstein förväntade sig att hans artikel i ”Annalen der Physik” skulle ge en storm av kritik. Men han fick endast ett brev från Max Planck, en av dåtidens största fysiker, som ville att Einstein skulle förklara en del detaljer. Efter ett samtal mellan de två fysikerna så spred sig relativitetsteorin som en löpeld inom vetenskapsvärlden. Denna blev kallad den ”speciella relativitetsteorin”.

Tre år senare 1908, publicerade Einsteins gamla lärare Minkowski en teori om den ”fyrdimensionella rumstiden”. Han hade gjort om en av Einsteins tankeexperiment till en matematisk teori. Einstein var väldigt kritisk mot den matematiska teorin, men bara till en början, innan han insåg att denna teori behövdes för att kunna utveckla hans tankar om den ”allmänna relativitetsteorin”.

Mellan 1907-1912 publicerade Einstein ett flertal artiklar om gravitation. Men han var aldrig riktigt nöjd med någon. Efter att ha flyttat till Prag där han träffade Grossman, en gammal studiekamrat, fick han det lysande förslaget att han skulle använda differentiala geometrin som är olinjär istället för den linjära euklidiska geometrin.

Under tiden då han och Grossman utvecklade den ”allmänna relativitetsteorin” efter differentialgeometrin skrev Einstein:
”… i hela mitt liv har jag inte arbetat ens i närheten så hårt, och jag har fått en djup respekt för matematik, som jag mer eller mindre betraktat som ren lyx fram till nu”.
”Den ursprungliga speciella relativitetsteorin var rena barnleken i jämförelse med denna teori”.
Tyvärr så ledde inte allt detta slit till en fullständig teori.
Men den 18 november 1915 gjorde Einstein en upptäckt som han var totalt exalterad över i flera dagar. För i början på 10-talet hade Einstein insett vikten av att blanda in astronomiska observationer för att förklara sin teori. Tillsammans med astronomen Freundlich lyckades Einstein hitta precis det värde på antalet bågsekunder per århundrade, som behövdes för att Einsteins teori skulle gå i lås. En vecka senare skickade Einstein in sin artikel ”The field equations of gravitation” som gav de rätta fältekvationerna för den ”allmänna relativitetsteorin”.
Tack vare hans artikel kunde matematikern Karl Schwarzschild år 1916 finna den rätta ekvationen, som beskriver gravitationsfälten hos ett massivt kompakt objekt. Denna ekvation visade sig sedan ha stor betydelse vid förståelse av neutronstjärnor och svarta hål.
Många av Einsteins kollegor hade svårt att förstå dennes flod av artiklar som varenda en antingen ändrade, förklarade eller utökade den tidigare. Einstein sa så här om sig själv:
”Den där Einstein vänder kappan efter vinden. Varje år tar han tillbaka vad han skrev året tidigare”.

Vetenskapsmännen Ehrenfest och Lorentz diskuterade med varandra om den ”allmänna relativitetsteorin” under två hela månader för att förstå den. Lorentz var den förste som tände glödlampan ovanför ”knölen mellan axlarna” och skrev ett brev till kollegan Ehrenfest:
”Jag gratulerar Einstein till ett lysande resultat.” I Mars 1916 var Albert Einstein färdig med sin artikel som förklarade den ”allmänna relativitetsteorin” på ett mer lättförståeligt sätt. Einstein som arbetade likt en musikproducent blev inte nöjd med den senaste artikeln, utan han skrev ytterligare en till, som kom att bli den sista i den stora mängden av artiklar. Den skulle komma att publiceras tjugo gånger om i flera olika ledande vetenskapstidskrifter.
För att förklara vad Einstein kom på så måste man acceptera dessa relationer i den ”speciella relativitetsteorin”:


De fyra viktigaste relationerna i den ” speciella relativitetsteorin”:
1. Ljusets hastighet är konstant.
2. Längden minskar när ett föremål åker i ljusets hastighet
3. Tiden går saktare för ett objekt i rörelse vid ljusets hastighet.
4. Massan ökar hos ett objekt som transporteras i hastigheter som ljusets.


Exempel 1:
En buss åker i en hastighet av, i förhållande till vägen, 50km/h och bussen har en bollkanon längst fram på taket. Bollkanonen skjuter iväg en boll i 30 km/h. Vilken hastighet får bollen i förhållande till vägen? Svaret är 80km/h. Man adderar ihop hastigheterna.

Ett rymdskepp med strålkastare åker i ljusets hastighet mot en plats som kallas A. Vad händer när rymdskeppet sätter på sina strålkastare (som självfallet skjuter ut sitt ljus i ljusets hastighet) Kommer ljuset fram till plats A före rymdskeppet? Svaret blir: Nej, för enligt Einsteins teorier så är ljusets hastighet konstant.

Exempel 2:
Om ett 20 meter långt och 4 meter brett rymdskepp åker mot en stillastående observatör i ljusets hastighet, kommer observatören att se rymdskeppet i en längd av 2 meter. För allting blir kortare i färdriktningen vid hastigheter omkring ljusets hastighet.

Exempel 3:
Ett par tvillingar gör följande experiment. En åker till Sirius tur och retur (en sträcka på 18 ljusår). Han åker i en hastighet av 90 % av ljusets hastighet. Hela färden tar 18/0, 9=20 år. Hans tvillingbror är så klart 20 år äldre, när han kommer tillbaka. Men tvillingen som åkte till Sirius har bara blivit 8,7 år äldre än vad han var när han åkte. P g a att tiden går saktare i referenssystemet för rymdskeppet, när det åker i ljusets hastighet.

Exempel 4: E=mc2 är Einsteins teoretiska förhållande mellan energi = E och massa = m.
När ett föremål i ren massa åker i ljusets hastighet kommer en vilande observatör att se en större massa än vad den observerade massan egentligen är. Om massan ökar, så medför det att energimängden också ökar i förhållande till om föremålet skulle ha varit i vila.


Källor

...