Albert Einstein og relativitetsteorien for begynnere
I 2020 ble Albert Einsteins relativitetsteori 115 år gammel. Men selv om de fleste har hørt om Einstein, blir mange litt mer nølende når det kommer til å forklare den berømte teorien hans. Her er relativitetsteorien for begynnere.
Hva er Einsteins relativitetsteori?
Einsteins relativitetsteori består i virkeligheten av to deler. Den spesielle relativitetsteorien fra 1905, og den generelle (eller allmenne) relativitetsteorien fra 1915.
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.
Mirakelåret 1905
Før Albert Einstein kom fram til konklusjonene sine, måtte han ta et oppgjør med allment aksepterte antakelser i det vitenskapelige miljøet.
Det arbeidet begynte i begynnelsen på slutten av 1800-tallet og kulminerte i 1905 – et år som senere ble kjent som Einsteins mirakelår.
Da utgav Einstein fire viktige vitenskapelige artikler:
- juni 1905: «On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light». Artikkelen forklarte det tidligere ukjente fenomenet «fotoelektrisk effekt» gjennom innføring av fotoner. Albert Einsteins arbeid med fenomenet utløste en nobelpris i 1921.
- juli 1905: «On the Motion of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid». Rapporten beskriver brownsk bevegelse, det vil si hvordan partikler beveger seg i ideelle gasser.
- september 1905: «On the Electrodynamics of Moving Bodies». Første del av Einsteins relativitetsteori. Den har senere blitt kjent som den spesielle relativitetsteorien.
- november 1905: «Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content?». Neste del av Einsteins relativitetsteori som handler om relativistisk energi, for eksempel forholdet E = mc2.
Hva er den spesielle relativitetsteorien?
Albert Einsteins formel (E = mc2) forteller at energi (E) er lik masse (meter) ganget med lysets hastighet (c) i andre potens.
Kort sagt betyr det at energi og masse kan konverteres. Energi kan bli til masse, og den energien kan senere frigis.
- november 1902 ble Albert Einsteins vitenskapelige artikkel med den berømte ligningen E = mc2, offentliggjort.
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.
Et mysterium som Albert Einstein kom med en helt ny forklaring på: lys. Eller rettere sagt lysets hastighet(c).
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 Albert 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.
Lysets hastighet overgår alt
Albert Einstein mente også at lysets hastighet måtte være konstant. Han tok utgangspunkt i en teori om lys, utviklet av den skotske fysikeren James Clerk Maxwell. Han 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. Det er litt som å hoppe bukk.
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.
Albert 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.
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
Albert Einsteins relativitetsteori viser at lys har en konstant hastighet, og derfor påvirker det også forståelsen vår av tid. Tiden er relativ, og at vi oppfatter tiden ulikt, kalles tidsutvidelse.
La oss ta et eksempel på tidsutvidelse:
Her er en illustrasjon av eksempelet på tidsutvidelse innen den spesielle relativitetsteorien. For astronauten på utsiden vil laserstrålen reise over en lengre avstand når romfartøyet beveger seg framover.
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.
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.
Video: Forklaring av den relative tid
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.
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.
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 Albert 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.
Relativitetsteorien viser at tunge gjenstander endrer romtidens geometri, som en kanonkule på en trampoline som tiltrekker seg en golfball.
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.
Hva brukes relativitetsteorien til?
Einsteins tanker ble avgjørende for fysikken. Men hva brukes relativitetsteorien egentlig til, og er det ikke nok med Newtons tyngdelov?
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.
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 verdensrommet, der avstandene er store og himmellegemene er tunge og beveger seg i høy fart i forhold til hverandre, er det annerledes. Derfor er Einsteins relativitetsteori viktig.
Einsteins generelle relativitetsteori har fått enorm betydning for hvordan vi oppfatter verdensrommet og forstår universet. Big Bang-teorien hadde for eksempel aldri oppstått uten relativitetsteorien.
Uten en relativitetsteorien ville GPS være ubrukelig
Relativitetsteorien har også betydning for hverdagsfenomener.
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.
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 Albert 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.