Einsteins relativiteitstheorie

De relativiteitstheorie van Einstein is een beroemde theorie, maar ze wordt weinig begrepen. De relativiteitstheorie verwijst naar twee verschillende elementen van dezelfde theorie: algemene relativiteitstheorie en speciale relativiteitstheorie. De theorie van speciale relativiteitstheorie werd eerst geïntroduceerd en werd later beschouwd als een speciaal geval van de meer omvattende relativiteitstheorie.

Algemene relativiteitstheorie is een gravitatietheorie die Albert Einstein ontwikkelde tussen 1907 en 1915, met bijdragen van vele anderen na 1915.

Relativiteitstheorieën

Einsteins relativiteitstheorie omvat de samenwerking tussen verschillende concepten, waaronder:

• Einsteins speciale relativiteitstheorie - gelokaliseerd gedrag van objecten in inerte referentiekaders, over het algemeen alleen relevant bij snelheden zeer dichtbij de snelheid van het licht
• Lorentz-transformaties - de transformatievergelijkingen die worden gebruikt om de coördinaatveranderingen onder speciale relativiteitstheorie te berekenen
• Einsteins algemene relativiteitstheorie - de meer uitgebreide theorie, die zwaartekracht behandelt als een geometrisch fenomeen van een gebogen ruimtetijd coördinatensysteem, dat ook niet-onbedoelde (d.w.z. versnellende) referentiekaders omvat
• Fundamentele relativiteitsbeginselen

Wat is relativiteit?

Klassieke relativiteit (aanvankelijk gedefinieerd door Galileo Galilei en verfijnd door Sir Isaac Newton) omvat een eenvoudige transformatie tussen een bewegend object en een waarnemer in een ander inertiaal referentiekader. Als je in een rijdende trein loopt en iemand op de grond staat te kijken, is je snelheid ten opzichte van de waarnemer de som van je snelheid ten opzichte van de trein en de snelheid van de trein ten opzichte van de waarnemer. Je bevindt je in het ene inertiële referentiekader, de trein zelf (en iedereen die er nog op zit) bevindt zich in een ander, en de waarnemer bevindt zich in nog een ander.

Het probleem hiermee is dat men geloofde dat licht zich in de meeste van de 19e eeuw voortplant als een golf door een universele substantie die bekend staat als de ether, die zou hebben geteld als een afzonderlijk referentiekader (vergelijkbaar met de trein in het bovenstaande voorbeeld ). Het beroemde Michelson-Morley-experiment had echter de beweging van de aarde ten opzichte van de ether niet kunnen detecteren en niemand kon verklaren waarom. Er was iets mis met de klassieke interpretatie van relativiteit zoals die van toepassing was op licht ... en dus was het veld rijp voor een nieuwe interpretatie toen Einstein langskwam.

Inleiding tot speciale relativiteitstheorie

In 1905 publiceerde Albert Einstein (onder andere) een artikel met de titel "On the Electrodynamics of Moving Bodies" in het tijdschrift Annalen der Physik. Het artikel presenteerde de theorie van speciale relativiteitstheorie, gebaseerd op twee postulaten:

Einsteins postulaten

Relativiteitsbeginsel (eerste postulaat): De natuurwetten zijn hetzelfde voor alle inertiële referentiekaders.

Principe van constantheid van de snelheid van het licht (tweede postulaat): Licht verspreidt zich altijd door een vacuüm (d.w.z. lege ruimte of "vrije ruimte") met een bepaalde snelheid, c, die onafhankelijk is van de staat van beweging van het emitterende lichaam.

In feite presenteert het artikel een meer formele, wiskundige formulering van de postulaten. De formulering van de postulaten verschilt enigszins van tekstboek tot tekstboek vanwege vertaalproblemen, van wiskundig Duits tot begrijpelijk Engels.

Het tweede postulaat is vaak ten onrechte geschreven om te bevatten dat de snelheid van het licht in een vacuüm is c in alle referentiekaders. Dit is eigenlijk een afgeleid resultaat van de twee postulaten, in plaats van een deel van het tweede postulaat zelf.

Het eerste postulaat is vrijwel gezond verstand. Het tweede postulaat was echter de revolutie. Einstein had de fotontheorie van het licht al in zijn artikel over het foto-elektrisch effect geïntroduceerd (waardoor de ether overbodig werd). Het tweede postulaat was daarom een ​​gevolg van massaloze fotonen die met de snelheid bewogen c in een vacuüm. De ether had niet langer een speciale rol als een "absoluut" inertiaal referentiekader, dus het was niet alleen onnodig maar kwalitatief nutteloos onder speciale relativiteitstheorie.

Wat het papier zelf betreft, het doel was om Maxwell's vergelijkingen voor elektriciteit en magnetisme te verzoenen met de beweging van elektronen in de buurt van de snelheid van het licht. Het resultaat van het artikel van Einstein was het introduceren van nieuwe coördinatentransformaties, Lorentz-transformaties genaamd, tussen traagheidsreferentiekaders. Bij lage snelheden waren deze transformaties in wezen identiek aan het klassieke model, maar bij hoge snelheden, in de buurt van de snelheid van het licht, produceerden ze radicaal verschillende resultaten.

Effecten van speciale relativiteit

Speciale relativiteit heeft verschillende gevolgen van het toepassen van Lorentz-transformaties bij hoge snelheden (in de buurt van de snelheid van het licht). Onder hen zijn: