Relativitetsteorin

Att förklara relativitetsteorin på en hemsida är helt omöjligt, det inser t.o.m. jag. Men jag ska försöka att bara förklara grunderna i teorin.

Man brukar skilja på två "typer" av fysik. Den klassiska och den kvantmekaniska. Relativitetsteorin hör tillsammans med de s.k. Newtonska rörelselagarna m.m. till den (vad vi nu kallar) klassiska fysiken.

Man ansåg förut att ljuset utbredde sig genom rummet i någonting som man inte kunde se, man kallade detta för "etern". Man kunde inte tänka sig en våg som inte behövde något medium för att existera.
Man ansåg också att det fanns en absolut tid och ett absolut rum. En absolut tid betyder att tiden är likadan i hela universum och går lika fort. Ett absolut rum betyder att det går att säga vad som är upp och ned i universum.
Det finns alltså en slags "centralpunkt" någonstans och (om man är tillräckligt finurlig) kan man beräkna sin position i universum.

Men i slutet av 1800-talet började vissa experiment visa resultat som inte helt gick att förklara med Newtons fysik.

1887 gjorde Albert Michelson och Edward Morley någonting som fyndigt nog har blivit kallat "Michelson-Morley experimentet" :-D
Experimentet gick ut på att mäta ljusets hastighet genom etern. De mätte hastigheten i alla tänkbara riktningar bara för att upptäcka att ljusets hastighet var exakt samma vilken riktning de än mätte i. Hastigheten borde ju vara olika genom att jorden rörde sig runt solen genom etern. Ingen insåg just då vikten av detta experiment. Det var inte så som man ibland hör från kritikerna av relativitetsteorin att relativitetsteorin baserar sig på ett enda experiment (MM-experimentet). I själva verket bestod MM-experimentet av en lång serie liknande experiment under flera års tid.
Det var detta som var en av de första "sprickorna" i Newtons fysik.

1831 föddes James Clark Maxwell, sin tids störste teoretiske fysiker.
Albert Einstein tyckte så, så jag får väl hålla med. :)

Han lade på många sätt grunden till relativitetsteorin, jag ska inte gå in på det så noga, men han utvecklade massor med teorier omkring elektomagnetism/magnetism. Han upptäckte bl.a. att ljus och t.ex. värmestrålning båda är elektromagnetisk strålning. Om man ska vara noga så var det egentligen Michael Faraday som gjorde upptäckten och James Clerk Maxwell som bevisade den.
Många andra fysiker hade kommit med bidrag så i slutet på 1800-talet fanns det många fysikaliska teorier som man inte riktigt förstod fullt ut vad de innebar och vad de innebar tillsammans. Det behövdes någon som kunde knyta ihop många av teorierna.

1879 föddes Albert Einstein. Man hör ibland att Einstein var en lite skoltrött elev när han var yngre men det är en myt. Einstein var visserligen en ointresserad elev i humaniora (litteratur, historia och liknande) och därigenom var inte hans studieresultat de bästa där men han var en lysande elev i de naturvetenskapliga ämnena som t.ex. matematik och fysik. Han var precis vad som behövdes för att få ordning på fysiken. Han hade förmågan att inte tänka på samma sätt som andra före honom hade tänkt. Han hade tidigare arbetat på patentverket i Schweiz och det var nog det som gjorde att ha hade lärt sig att se ett problem ur flera synvinklar. Han var tvungen att göra det för att kunna bedöma nya uppfinningar.
Han var också berömd för sina tankeexperiment. Han tänkte sig t.ex. "hur skulle jag se omgivningen (bl.a.) om jag färdades med ljusets hastighet?". Det märkliga var inte att han funderade över sådant (det hade nog andra gjort innan honom) utan faktumet att han kom fram till såna slutsatser.

16 år gammal gjorde han inträdesprovet till polytekniska skolan i Zürich. Han misslyckades kapitalt i litteratur- och samhällshistoria. I matematik och fysik gick det mycket bättre. Han gjorde året därpå ett nytt försök att klara hela provet och nu gick det bra. År 1900 vid 21 års ålder kunde han stoltsera med en universitetsexamen i matematik och fysik.
På grund av att han var jude så fick han till en början inga jobb. Antisemitismen fanns redan då. 1902 fick han till slut ett fast jobb, på patentverket. Han inser emellertid att han kan göra en dags arbete på en par timmar och sen är resten av dagen fri att (som Einstein sade) - dagdrömma.

För att göra en lång historia kort:
1905 var Eisteins "gyllene år", då var han väldigt kreativ och producerade vetenskapliga artiklar i en otrolig takt.
Under det året skrev han bl.a. 4 essäer/artiklar som har blivit mycket berömda. De skulle kunnat ge nobelpriset fyra gånger individuellt.

1.Upptäckten av den fotoelektriska effekten. Gav honom Nobelpriset i fysik 1921.
2. Förklaring av den Brownska rörelsen.
3. Den speciella relativitetsteorin.
4. Ekvivalensen mellan materia och energi. E = mc2.

Det finns egentligen två relativitetsteorier: den allmänna och den speciella.
Den speciella relativitetsteorin gäller enbart vid ett specialfall, nämligen då ingen acceleration eller gravitation existerar.
Den allmänna innefattar däremot även gravitationen.
1905 kom Einstein alltså med den speciella relativitetsteorin.
I den hade Einstein ställt upp två postulat.
1. Fysikens lagar är likadana för alla betraktare i alla inertialsystem. (icke accelererande referensramar)
2. Ljusets hastighet i vakuum är konstant för alla observatörer.
Det fick en del otroliga konsekvenser. Bland annat betydde det:
1. Tiden är inte absolut. Tiden går långsammare i ett inertialsystem som rör sig snabbt i förhållande till ett inertialsystem i vila. En följd av att tiden inte är absolut är också att begreppet samtidighet upphörde att ha någon mening, dvs saker som händer i en viss ordning sett från ett inertialsystem behöver inte nödvändigtvis ske i samma ordning sett från ett annat inertialsystem.
2. Rummet är inte absolut. En meterslinjal är inte en meter lång sett från ett inertialsystem som rör sig snabbt i förhållande till ett inertialsystem i vila. (Kallas också Lorentzkontraktion)
3. Man kan inte addera hastigheter utan att ta hänsyn till relativistiska effekter. Egentligen en konsekvens av att rummet och tiden inte är absoluta.
4. Rörelsemängden för ett objekt av godtycklig massa går mot oändligheten vid ljushastigheten. Det betyder att man kan inte färdas lika fort som ljuset. Det skulle krävas en oändlig mängd energi att accelerera någonting som har massa till ljushastigheten, och det har vi inte.
5. Energi och massa är samma sak enligt E=mc2. (kom egentligen i en annan artikel år 1905)

Det är en invecklad historia, men innan Einstein trodde man att ljushastigheten var relativ (se Michelson-Morley experimentet) men att tiden och rummet var absoluta.
Relativitetsteorin säger tvärt mot detta att ljushastigheten är konstant (299792 km/s) och att tiden och rummet är relativa.
Teorin inför också begreppet rumtid. Rumtiden är fyrdimensionell, de fyra dimensionerna är bredd, längd, höjd och tid. Man kan se det så att:
Anta att du befinner dig vid stjärnan Sirius på 8,6 ljusårs avstånd från Jorden. Du är då inte bara sträckan 8,6 ljusår bort, du ser hur Jorden såg ut för 8,6 år sen och det tar 8,6 år att resa till dig (för dig och de som ser på från Jorden, inte för resenärerna) fastän vi reser med den högsta hastighet som är möjlig. (Ljusets hastighet). Du kan heller inte på något sätt påverka vad som händer på Jorden innan 8,6 år förflutit.
Jag vet inte om alla pedagoger håller med mig, men jag tycker att det ger en bild av hur rum och tid är ihopvävda till rumtiden.
När det pratas om "ljuskoner" i litteratur om relativitetsteorin så påminner mitt resonemang ovan om

Vad är då inertialsystem?
Man skulle kunna säga:
Anta att du har ett i rymden fritt svävande laboratorium där det finns klockor, vågar, mätare, kaffebryggare m.m. - Ja, vad som kan finnas i ett laboratorium.
Allt som finns i detta laboratorium är i samma inertialsystem. Klockorna går lika fort, linjalerna är lika långa överallt i labbet m.m. Jag kommer i fortsättningen att ibland prata om inertialsystem och ibland om laboratorier, men det är alltså samma sak. Det låter bara lite roligare.
Lite mer tekniskt kan sägas att ett inertialsystem är ett koordinatsystem som ligger i vila i förhållande till en observatör i inertialsystemet.

Anta sedan att ett exakt likadant labb flyger förbi i 95% av ljushastigheten. Det labbet är inte i samma inertialsystem som ditt labb.
När du tittar lite mer noga (om du hinner) så ser du att saker i det andra labbet är hoptryckta (f.ö. som hela labbet) i rörelseriktningen. Ett kilo på det andra labbet väger mer än ett ett kilo (hur det då ska vara möjligt att använda en våg, men det är en annan sak). Tiden går också långsammare i det andra labbet.
Det konstiga är att de som finns i det andra labbet säger exakt samma sak om ditt labb!!
De tycker att det är din klocka som går för sakta m.m.. Det fordras en del kämpande med intellektet för att förstå det, men så småningom begriper man (förhoppningsvis) att det måste bli på det sättet. Om man accepterar de övriga effekterna av relativitetsteorin måste man helt enkelt acceptera det här också. Gäller inte det här så faller hela teorin.
Relativitetsteorin säger nämligen också att ingen observatör har mer "rätt" än någon annan.
Det betyder att det enda du kan säga att att det andra labbets klockor går långsammare relativt dina klockor, men du kan inte säga om det är du som rör dig eller det andra labbet. Den frågan är både irrelevant och ointressant.
Felet man gör i tankeprocessen när det gäller de flygande labben är att man tror undermedvetet att det finns någon sorts "referenstid" som alla i universum förhåller sig till. Det är just det som den speciella relativitetsteorin säger att det inte gör.

Det är det här som har gett upphov till den s.k. tvillingparadoxen. Den verkar strida mot allt sunt förnuft, men den är en fullt naturlig följd av relativitetsteorin. Den har också kunnat bekräftas experimentellt. (dock inte med ett tvillingpar) :-D
Tvillingparadoxen är ingen paradox, det bara låter så.

1915 kom så den allmänna relativitetsteorin.
Jag skulle nog vilja kalla den ett av 1900-talets största händeler inom teoretisk fysik. (Kvantfysiken hör givetvis dit också)
Den kallas så därför att den innefattar även gravitationen och acceleration.
Den allmänna teorin verkar vara lite mer "okänd" än den speciella teorin, det beror nog egentligen på att den speciella teorin (som kom först) var totalt revolutionerande inom teoretisk fysik. Den allmänna teorin utvidgade den speciella teorin från att bara gälla i ett specialfall, men den allmänna teorin borde enligt mig kallas för "den riktiga relativitetsteorin" eller bara "relativiteteorin" därför att den allmännna teorin gäller alltid.
Den allmänna relativitetsteorin hade emellertid ett fel (som inte var något fel, visade det sig sen). Den förutspådde att om universum innehöll någon materia så var det tvunget att expandera eller kontrahera. Då trodde man (eller man kunde inte tänka sig nåt annat) att universum var statiskt. För att tillåta universum att både vara statiskt och innehålla materia införde Einstein en "kosmologisk konstant" i sina ekvationer. När Edwin Hubble senare upptäckte att universum utvidgar sig tog Einstein omedelbart bort konstanten från sina ekvationer. "Mitt livs största misstag" kallade han det senare.

Den allmänna relativitetsteorin slog fast att gravitationen inte är en kraft egentligen. En kropp i rörelse som passerar förbi en annan kropp kommer att böjas av (det är det ingen tvekan om) men det beror inte på att gravitationen "drar" i den. Kroppen kommer alltid att hålla en rak kurs om ingen kraft verkar på den, anledningen till att den böjer av beror i stället på att rummet är krökt.
Einstein fick en gång en "lycklig tanke" (som han sade själv), han tänkte sig att han föll i en hiss utan fönster i fritt fall mot Jorden. Då skulle han vara tyngdlös fastän hissen accelererade hela tiden. Det skulle inte finnas något sätt att avgöra om man befann sig långt ute i rymden eller accelerande i fritt fall.
Detta sade Einstein att acceleration och gravitation är besläktade på något sätt.
Gravitationen är en egenskap hos den krökta rumtiden (hur mycket rumtiden kröks bestäms av objekten i rumtiden) och acceleration är effekten som den krökta rumtiden har på ett objekt.
Einstein insåg att det är samma sak att befinna sig i ett inertialsystem i vila långt ute i rymden där det inte finns något gravitation som att befinna sig i ett fritt fallande inertialsystem i ett gravitationsfält. Det omvända är också sant. Det är samma sak att befinna sig i ett accelerande inertialsystem där det inte finns någon gravitation som att befinna sig i vila i ett gravitationsfält.
Detta kallas numera Einsteins ekvivalensprincip.
Men man kan enkelt se att teorin fungerar. Ta en GPS och jämför din position på kartan med positionen från GPS-mottagaren. Att de stämmer överens är ytterligare ett bevis för teorin.
Tiden går enligt teorin långsammare i ett gravitationsfält. Tiden går alltså något långsammare vid jordytan än uppe i omloppsbana. GPS-satelliterna rör sig också, vilket också får relativistiska effekter.
Allt detta måste man ta hänsyn till, annars skulle positionen som GPS-mottagaren räknar fram bli fel.
Man kan räkna med relativitetsteorierna i alla lägen, men när man rör sig i "vanliga" hastigheter och "normala" gravitationsfält använder vi trots det Newtons lagar. De är (har vi nu upptäckt) bara goda approximationer, men vid "normala" situationer duger de gott. De är mycket enklare att räkna med också. När man räknar på svarta hål och hastigheter som närmar sig ljusets måste man dock ta hjälp av Einstein.
Bara för att nämna det:
Man hör ofta att Einstein sade "allting är relativt", men det är nästan säkert inte sant.
I arbetet han gorde som lade fram den speciella relativitetsteorin (Om rörliga kroppars elektrodynamik) talade Einstein om något som han kallade för en "relativitetsprincip". Relativitetsprincipen som Einstein menade var inte heller hela teorin, utan en liten del av teorin som ursprungligen har formulerats av Galileo Galilei. Det var Max Plank som 1906 började kalla teorin för "relativteorin" som blev "relativitetsteorin" när andra forskare hade sagt sitt.
En sak som Einstein hävdade (eller egentligen var det relativitetsteorin som hävdade den) var förekomsten av gravitationsvågor. En tyngdkraftsvåg är en krusning i rumtiden. Man skulle kunna jämföra det med ett tjockt lager med skum/såpbubblor. Om man iakttar bubblorna en stund ser man att de "faller ihop" och förenas till färre men större bubblor med tiden. När en bubbla faller ihop sänds en "ryckning" ut i skummet vilket skulle då illustrera en gravitationsvåg i rumtiden. (Jämförelsen haltar lite, jag kom på den just nu) Enligt relativitetsteorin sänds gravitationsvågor ut vid mycket kraftiga händerler i universom som t.ex. två neutronstjärnor eller svarta hål som kolliderar. Två neutronstjärnor som går i omloppsbana runt varandra ska enligt teorin sända ut gravitationsvågor. Ju närmare varandra de ligger, desto mer gravitationsvågor sänder de ut. Det får till följd att stjärnorna tappar energi och därför närmar sig varandra för att till slut kollidera. Just detta att binära neutronstjärnor (en binär stjärna är en dubbelstjärna) tappar energi har man faktiskt iakttagit, det är odiskutabelt, men man har aldrig (ännu) detekterat några gravitationsvågor. Om Einstein hade rätt måste de finnas, annars måste energin försvinna på ett annat helt okänt sätt.

På senare tid har man faktiskt detekterat någonting som skulle kunna vara gravitationsvägor. Det verkar inte som om det kan vara någonting annat så det är bara att bocka och buga är Einsteins hålll.

Om det bara hade varit så enkelt. Om jag skulle skriva exakt vad relativitetsteorin är och innebär måste men ha betydligt större kunskaper än vad jag besitter.
Ni kan m.a.o. glömma nästan allt som står här ovan om ni vill ha en mer djupgående förklaring till teorin. Det som står här skrapar bara på ytan.