Onder deze verzamelnaam schrijft Gerard Kienhuis een aantal blogs over de ruimtevaart voor Hallo Losser. Gerard is in Losser maatschappelijk actief op diverse fronten. Naast muziek en fotografie is de ruimtevaart zijn grote hobby. Hij vertelt en schrijft er met passie over. Veel leesplezier. In bijdrage 21 gaat het over de relativiteitstheorieën van Einstein.
We zien hier een lichtstraal vanaf de aarde naar een ster. We denken dat deze in de bovenste positie staat. Echter door de zon wordt deze afgebogen en bevindt de ster in feite in onderste positie. In wezen kijken we dus “om het hoekje”. Newton was van mening dat dit veroorzaakt werd door de zwaartekracht van de zon, immers volgens hem bestond licht uit massadeeltjes. Zie ook verderop. Einstein daarentegen stelde dat dit het gevolg is van een gekromde ruimte, die ontstaat door de massa van de zon. Zie ook het vorige Blog.
De Relativiteitstheorieën van Einstein (2).
RELATIVITEIT. We hebben het over een relativiteitstheorie. Maar wat betekent nu het woord “relativiteit”? In ons dagelijks leven wordt het woord gebruikt om een mate van betrekkelijkheid aan te geven. Iets staat in verhouding tot iets anders, het staat niet op zichzelf.
In de natuurkunde heeft het een soortgelijke betekenis. Een voorwerp beweegt zich t.o.v. een ander voorwerp. Een boot die de haven binnen komt varen heeft een bepaalde snelheid t.o.v. de kade. Echter de kade is een plek op aarde, die in 24 uur om haar as draait en tevens ook nog in een baan om de zon draait met een snelheid van ongeveer 30 km/sec. Verder beweegt ons zonnestelsel binnen het Melkwegstelsel met een snelheid van meer dan 200 km/sec en het Melkwegstelsel verplaatst zich vervolgens met een snelheid van 600 km/sec, beiden t.o.v. de kosmische achtergrondstraling. Hieruit blijkt dus duidelijk dat snelheid relatief is.
We veronderstellen nu dat een boot zich midden op de Atlantische Oceaan bevindt en beweegt met een eenparige (constante) snelheid. De snelheid kan dan alleen bepaald worden door gebruik te maken van externe middelen, zoals het meten van de snelheid ten opzichte van het water, door gebruik te maken van de sterrenhemel of met behulp van GPS. Echter in een dichte kajuit kan men zonder externe hulpmiddelen op geen enkele wijze bepalen of de boot vaart of zelfs stilstaat. Snelheid kun je niet voelen. Wie kent niet de ervaring op het station dat het lijkt alsof jouw stilstaande trein gaat rijden terwijl dat de trein op het andere perron is. Dit is het Relativiteitsbeginsel. Absolute beweging bestaat niet. Op aarde ervaren wij (zonder bv. gebruik te maken van de sterrenhemel) op geen enkele wijze dat wij om de zon draaien met een snelheid van 30 km/sec = 108.000 km/uur. Zittend achter mij laptop met alle gordijnen dicht, ben ik dan ook op geen enkele manier in staat deze snelheid te bepalen, ongeacht de experimenten die ik binnenkamers zou willen/kunnen uitvoeren.
LICHT. Licht als fenomeen is een pijler binnen de Relativiteitstheorie. Vandaar wat extra aandacht. Licht is voor ons allen een normale aangelegenheid. Geen licht, dan is het donker! Licht openbaart zich in vele vormen. Zonnelicht, kunstlicht, open vuur, etc. Hierdoor kunnen we zien/waarnemen.
Maar wat is licht, wat is haar karakter? Hoe ontstaat het? Allemaal vragen waar eeuwenlang naar gezocht is. Al op zeer jeugdige leeftijd probeerde Einstein zich voor te stellen hoe het zou zijn als hij naast een lichtstraal zou zweven en dan zou denken dat het licht stilstaat. Maar Einstein vond uiteindelijk dat dit niet zou kunnen.
Een lichtgolf bestaat uit een elektrisch- en een magnetisch gedeelte die loodrecht op elkaar staan. In het figuur zien we de blauwe elektrische golf E en de rode magnetische golf B. Het elektrische gedeelte schiet naar voren en wekt magnetisme op. Dit op haar beurt leidt tot elektriciteit waardoor weer magnetisme ontstaat, enz, enz. Daarom kun je licht nooit inhalen. Iedere keer als je denkt licht te hebben ingehaald, bv. bij het bereiken van het meest voorwaarts gelegen magnetische gedeelte, wordt meteen weer een elektrische deel opgewekt dat dan van je wegvliegt. Het was Einstein die deze eigenschap van licht als eerste doorgrondde en verder concludeerde dat de lichtsnelheid de hoogst mogelijke snelheid is. Niets kan sneller bewegen. Deze snelheid is bepaald op 299.792.458 m/sec, afgerond 300.000 km/sec. Een zonnestraal heeft 8,3 minuten nodig om de aarde te bereiken. Zoals al in Blog 20 aangegeven was Isaac Newton (1643-1727) van mening dat licht geen golfbeweging was maar bestond uit massadeeltjes. Rond 1900 werd met de opkomst van de kwantummechanica aangetoond dat licht toch is opgebouwd uit deeltjes, zgn. energiepakketjes, fotonen genoemd. Als zodanig kreeg hij uiteindelijk in zekere zin ook zijn gelijk. Echter fotonen zijn massaloos. Hij zal ‘zijn deeltjes’ absoluut niet als massaloos hebben bedoeld.
Een ander opmerkelijk uitgangspunt is dat de grootte van de lichtsnelheid totaal onafhankelijk is van de wijze waarop de lichtbron al of niet beweegt. We nemen daartoe nu een eenvoudige voorbeeld.
Een trein rijdt met een snelheid van 100 km/uur ten opzichte van de rails, de vaste ondergrond, omringende weilanden, enz. We veronderstellen nu dat een passagier naar voren loopt met een snelheid van 5 km/uur met betrekking tot de zittende passagiers. Ten opzichte van de rails loopt hij dan met een snelheid van 100 + 5 = 105 km/uur. Zou hij echter met dezelfde snelheid naar de achterste coupe lopen, dan wordt deze snelheid ten opzichte van de rails, 100 – 5 = 95 km/uur. Deze optelling van snelheden is in ons dagelijks bestaan een normale zaak. Echter binnen de relativiteitstheorie geldt dit niet meer. We geven de grootte van de lichtsnelheid aan met de letter c = 300.000 km/sec.
We nemen wederom het bovenstaande voorbeeld, waarbij de trein nu vervangen wordt door een futuristische raket die vliegt met de halve lichtsnelheid 0,5c = 150.000 km/sec. In de raket zit een astronaut met een zaklantaarn. Hij steekt deze aan waardoor een lichtstraal met de lichtsnelheid c = 300.00 km/sec de raket verlaat. Volgens het bovenstaande voorbeeld zou je nu verwachten dat de lichtstraal dan een extra snelheid heeft gekregen en daardoor de raket verlaat met een snelheid van 300.000 + 150.000 = 450.000 km/sec. In het geval dat de zaklantaarn naar achteren wordt gericht, zou dit betekenen dat de lichtstraal de raket verlaat met een snelheid van 300.000 – 150.00 = 150.000 km/sec.
In werkelijkheid verlaat de lichtstraal de raket echter zowel naar voren als naar achteren met een snelheid van 300.000 km/sec. Dus ongeacht de snelheid van de raket. Eenvoudig optelling van snelheden geldt niet meer.
De Speciale Relativiteitstheorie kent twee postulaten, ook wel axioma’s genoemd. Het tweede postulaat luidt nu:
De lichtsnelheid is eindig en onafhankelijk van de beweging van de waarnemer of lichtbron.
Later zullen we zien dat door deze fundamentele eigenschap van licht, de tijd voor verschillende personen niet meer hetzelfde is. De ene klok loopt langzamer dan een andere klok. Ook afstanden en zelfs massa’s van voorwerpen veranderen. Dit alles is een bijzonder interessant gegeven voor o.a. toekomstige tijdreizen naar onze dichtstbij zijnde sterren.
Wordt vervolgd.
