Albert Einstein 1921

Einsteins relativitetsteori revolusjonerte fysikken

Einsteins relativitetsteori fyller 100 år. Men mens de fleste vet hvem Einstein var, blir mange strak mer usikre når de skal forklare selve teorien. Her er relativitetsteorien for begynnere.

27. mai 2015 av Berit Viuf

Einsteins relativitetsteori forklarer fysikkens paradokser

Einsteins relativitetsteori består i virkeligheten av to deler. Den spesielle relativitetsteorien fra 1905, og den generelle (eller allmenne) relativitetsteorien fra 1915.

INFOGRAFIKK:Ting du ikke visste om Albert Einstein

På midten av 1800-tallet ble det oppdaget naturfenomener som var i strid med Newtons tyngdelov, som frem til da hadde vært grunnsteinen i fysikk. Mange forskere arbeidet med å forklare disse uoverensstemmelsene, men det var Einstein som løste gåten.

Einsteins relativitetsteori viste seg å gi løsninger på noen av de fenomenene som forskerne ikke fikk til å passe med den klassiske fysikken. Relativitetsteorien forente de tre grunnleggende teorikompleksene: tyngdeloven, elektrodynamikken og termodynamikken.

Få uret som Einstein ville ha elsket

Den spesielle relativitetsteorien

Før Einstein kom frem til sine konklusjoner, var han nødt til å ta et oppgjør med noen allment aksepterte antagelser i det vitenskapelige miljøet.

I 1905 utledet Albert Einstein sin berømte formel for sammenhengen mellom masse og energi.

Det arbeidet startet i begynnelsen av 1900-tallet og kulminerte i 1905, da Einstein publiserte en rekke artikler i et tidsskrift for fysikk. Han utga blant annet en artikkel som introduserte hans berømte formel: E=mc2.

Kort sagt betyr formelen at energi (E) og masse (m) kan bytte plass. Energi kan fastholdes i stoff med en masse, og den energien kan senere frigis.

Einstein forandret verden

Før den spesielle relativitetsteorien visste man godt at "luft" kunne omdannes til masse og omvendt. Det kunne f.eks. observeres når et materiale ruster og det veier mer enn før det rustet. Man kjente også til energi i form av varme og ild. Men man så ingen sammenheng mellom de to sfærene.

Riktignok var det begynt å dukke opp sære fenomener. Blant annet hadde ekteparet Curie gjort forsøk som viste at visse former for malm kunne sende ut partikler i time etter time i flere måneder. Hvordan det kunne skje, var fortsatt et mysterium.

Her brakte Einstein en helt ny forklaring på banen: Lys. Eller rettere sagt, lysets hastighet (c).

Quiz: 10 geniale vitenskapspersoner

Lysets hastighet forvirret forskerne

Det kan være vanskelig å forstå hvorfor lysets hastighet kan påvirke dannelse av masse og/eller energi. Så la oss se nærmere på lysets egenskaper.

Før Einstein publiserte artiklene sine, mente man i vitenskapens verden at fenomener som lys og lyd alltid beveger seg med en hastighet som kan økes eller senkes, avhengig av hvor man befinner seg.

Man mente at hvis man beveger seg i en bil i 50 km i timen og lyser med en lykt, så må lyset bevege seg 50 km raskere enn hvis det var sendt ut fra et fast punkt.

Men på slutten av 1800-tallet gjorde fysikerne Albert Michelson og Edward Morley en rekke forsøk som viste at selv om man "jager" lys, beveger det seg verken fortere eller saktere.

TIDSKALKULATOR: Reis i tid med Albert Einstein

Lysets hastighet overgår alt

Einstein mente også at lysets hastighet måtte være konstant. Han tok utgangspunkt i en annen forskers teori om lys, nemlig Maxwell, elektromagnetismens far. Maxwell mente at en lysstråle beveger seg fremover ved at det dannes litt elektrisitet, som, når den beveger seg fremover, danner et magnetisk felt som følger med og danner ny elektrisitet. En slags hoppe bukk over hverandre.

Men Maxwell fikk aldri helt grepet om hvordan lys kunne bevege seg fortere eller saktere.

Einstein introduserte en helt ny tanke. Nemlig at lys alltid beveger seg med samme fart, helt uavhengig av om det sendes ut fra et punkt i fart eller ikke.

Einstein foreslo dessuten at fordi elektrisiteten alltid blir skjøvet fremover av den magnetismen som oppstår, vil den være raskere enn alle forfølgerne. Lysbølger farer av sted med den ultimate fysiske farten i universet.

Einstein ga oss oppskriften på universet

Masse er stivnet energi

Og hva har så lysets hastighet med masse og energi å gjøre? Forestill deg en romferge som nærmer seg lysets hastighet. Piloten tilfører hele tiden motorene energi, men energien kan ikke bare brukes til å overstige lysets hastighet. På den annen side kan energien heller ikke forsvinne. I stedet presses den sammen til masse. Romfergen legger simpelthen på seg. E (energi) blir til m (masse).

Solen er et omvendt eksempel. Hvert sekund forsvinner tonnevis av hydrogen (masse) og blir omdannet til energi.

Alt stoff på Jorden er altså "stivnet" energi. Og kan energien frigis, har selv et stykke papir potensiale til å overta energiforsyningen i hele Norge.

Men det er ikke lett å frigi energi. Drivstoffene vi bruker for å skaffe energi (f.eks. bensin), frigir bare en brøkdel av den energien som er bundet.

Tiden er relativ

At lys har en konstant hastighet påvirker også vår forståelse av tid. Når to romskip sender ut et lysglimt mot Jorden, beveger lyset seg med samme hastighet fra begge romskipene.

Men hvis det ene romskipet står stille, og det andre beveger seg i samme retning som lyset, vil det være forskjell på hvor lang tid det tar lyset å nå frem til Jorden. Det avhenger av hvilket romskip man befinner seg i. På romskipet som står stille, vil tiden gå fortere enn om bord romskipet i fart.

Få uret som Einstein ville ha elsket

Det kan være vanskelig å akseptere, for vi er ikke vant til å bevege oss i opp mot lysets hastighet. De hastighetene vi beveger oss i på Jorden, er så uendelig små at vi ikke opplever variasjoner i tid.

Men tiden er relativ i motsetning til lysets hastighet, som jo er konstant.

Her kan du se et videoklipp som forklarer fenomenet med den relative tiden:

Tvillingeparadokset

Den relative tiden blir ofte illustrert med tvillingpar, der den ene legger ut på en reise til en stjerne som er flere lysår borte, mens den andre blir på Jorden.

Tvillinger tester Einsteins relativitetsteori

Transporten foregår i bortimot lysets hastighet, og som vi så tidligere, vil tiden gå langsommere for den tvillingen som er i fart enn for den tvillingen som "står stille" på Jorden.

Fordi tiden går langsommere for tvillingen som reiser sammenlignet med tvillingen som ble på Jorden, vil astronauttvillingen eldes langsommere. Faktisk vil vedkommende være adskillige år yngre ved sin hjemkomst enn tvillingen sin.

Det forklarer den amerikanske astrofysikeren Neil deGrasse Tyson i dette videoklippet om relativitet og tvillingparadokset:

Neste trinn: Den generelle relativitetsteorien

De neste ti årene etter utgivelsen av den spesielle relativitetsteorien arbeidet Einstein med å innlemme tyngdekraften i teorien sin. Resultatet ble et oppgjør med den klassiske fysikken og forståelsen av tyngdekraft.

Faller stein saktere fra fjell?

Ifølge Einstein kan tunge objekter forandre på romgeometrien. I stedet for å anse tyngdekraft som et resultat av masse som tiltrekker masse – som Newton gjorde – foreslo Einstein at rommet krummer seg rundt objekter av varierende tyngde.

Et glimrende bilde på det er en kanonkule på en trampoline.

Kanonkulen lager en fordypning på trampolinens overflate, og hvis man plasserer en golfball i nærheten, vil den trille mot kanonkulen. I stedet for at masse tiltrekker masse, følger objekter altså bare rommets krumning.

I eksempelet vil en golfball i høy fart sirkle rundt kanonkulen for til slutt å støte inn i den.

Og det er nettopp det som vil skje med planeter rundt et svært tungt objekt, f.eks. et svart hull. Først vil de gå i bane, og siden blir de "slukt".

Lys eller tid, som ikke har noen masse, vil krumme seg rundt objektet og fortsette på den andre siden – med mindre krumningen er så stor at lyset går i bane og på den måten ikke vil kunne slippe ut på den den andre siden (svart hull).

Jo større variasjon i tyngdekraften, desto større krumning.

Quiz: Test din viten om Einstein

Dette betydde Einsteins relativitetsteori

Einsteins tanker ble epokegjørende for fysikken. Men hvorfor? Newtons forklaring på tyngdekraft som oppstått av legemer som tiltrekker hverandre, var egentlig svært enkel og klar.

Her på Jorden beveger vi oss i samme fart som som jordkloden og solsystemet dreier. Derfor føler vi at vi står stille. Den variasjonen vi opplever når en person står stille og den andre kjører i bil, er så liten at forskjellen i tid ikke er noe vi vanligvis oppdager.

Tyngdekraften styrer vekten din

Når alle overalt på Jorden stort sett har samme oppfatning av hastighet og tid, er Newtons teori om tyngdekraft mer en nok til å forstå verden omkring oss.

Men i rommet, der avstandene er store og himmellegemene er tunge og beveger seg i høy fart i forhold til hverandre, stiller saken seg annerledes.

Uten en relativitetsteori ville GPS være ubrukelig

Den generelle relativitetsteorien har enorm betydning for hvordan vi oppfatter rommet og forstår universet. Big Bang-teorien ville for eksempel aldri ha oppstått uten relativitetsteorien.

Men relativitetsteorien har også betydning for mer dagligdags fenomener.

Et eksempel er GPS-er, som kan fastslå posisjonen vår på Jorden med en margin på noen få meter. GPS-er får informasjon fra satellitter i fast bane rundt Jorden. Når man står et sted på Jorden, leter GPS-en etter satellittenes posisjon på det nøyaktige tidspunktet.

Her er det to ting som gjør seg gjeldende. For det første beveger satellittene seg raskere sammenlignet med den hviletilstanden som vi oppfatter vi er i på Jorden. Så tiden på en satellitt går 7 mikrosekunder langsommere enn på Jorden.

Men tyngdefeltet har også betydning. Satellittene befinner seg 20 000 km unna Jorden. Der er tyngdekraften fire ganger lavere enn på jordoverflaten, og det betyr at tiden går 45 mikrosekunder fortere. Korrigerer man de to tallene, går tiden altså 38 mikrosekunder fortere på en satellitt.

Det høres ikke mye ut, men hvis man regner om til avstand, vil 38 mikrosekunders tidsforskjell bety en unøyaktighet på nesten 11 kilometer om dagen.

Hvis man ikke kjente til relativitetsteorien og kunne korrigere tidsforskjellene, ville GPS-systemet være ubrukelig.

Bli kledd til Interstellar

Relativitetsteorien er ikke endelig bevist

Einsteins arbeid var teoretisk, og han tok seg aldri tid til å bevise ideene sine gjennom eksperimenter. Men det var det andre som gjorde. I 1919 ble det gjort forsøk som viste at Einstein hadde rett i at lys krummer seg som følge av romgeometrien.

Andre deler av Einsteins teori ble først bevist ved årtusenskiftet, blant annet i forskningssenteret CERN i Sveits.

Allikevel er det i dag delelementer av relativitetsteorien som ikke er endelig bevist. Jo flere eksperimenter som gjøres som stemmer overens med det teorien forutsier, desto sterkere står teorien.

Mer om Einsteins relativitetsteori

100 år etter at Albert Einstein lanserte sin relativitetsteori, er teorien (sammen med kvantefysikken) de beste forklaringene på hvordan fysikken i universet vårt henger sammen.

Læs meget mere om Albert Einstein og relativitetsteorien

Vil du vite mer om hvordan Einstein kom frem til sin relativitetsteori, bør du se på videoklippet nedenfor, der blant andre den amerikanske astrofysikeren Neil deGrasse Tyson forteller.

Vi guider deg rundt i forskernes fantastiske verden

Få 3 utg. av Illustrert Vitenskap til 79,00. Klikk her.

Les også

Kanskje du er interessert i...

FÅ ILLUSTRERT VITENSKAPS NYHETSBREV

Du får ditt gratis spesialtillegg, Vår Ekstreme Hjerne, til nedlasting straks du har meldt deg på nyhetsbrevet.

Fant du ikke det du lette etter? Søk her: