Albert Einstein 1921

Einsteins relativitetsteori revolutionerede fysikken

Mens de fleste kender til Albert Einstein, bliver mange lidt mere tøvende, når de skal forklare relativitetsteorien. Vi forklarer teorien, så alle kan være med.

26. maj 2015 af Berit Viuf

Einsteins relativitetsteori forklarer fysikkens paradokser

Einsteins relativitetsteori består i virkeligheden af to dele. Den specielle relativitetsteori fra 1905 og den generelle (eller almene) relativitetsteori fra 1915.

I midten af 1800-tallet blev der opdaget naturfænomener, der var i strid med Newtons tyngdelov, som indtil da havde været grundstenen i fysik. Mange forskere arbejdede på at forklare disse uoverensstemmelser, men det var Einstein, der slog hovedet på sømmet.

Einsteins relativitetsteori viste sig at give løsninger på nogle af de fænomener, som forskerne ikke havde kunnet få til at passe med den klassiske fysik. Relativitetsteorien forenede de tre grundlæggende teorikomplekser: tyngdeloven, elektrodynamikken og termodynamikken.

Den specielle relativitetsteori

Før Einstein kom frem til sine konklusioner, var han nødt til at gøre op med nogle ellers alment accepterede antagelser i det videnskabelige miljø.

I 1905 udledte Albert Einstein sin berømte formel for sammenhængen mellem masse og energi.

Det arbejde tog sin begyndelse i starten af 1900-tallet og kulminerede i 1905, da Einstein publicerede en række artikler i et tidsskrift for fysik. Blandt andet udgav han en artikel, der introducerede hans berømte formel: E=mc2.

I kort form betyder formlen, at energi (E) og masse (m) kan bytte plads. Energi kan fastholdes i stof med en masse, og den energi kan senere udløses.

Inden den specielle relativitetsteori vidste man godt, at "luft" kunne omdannes til masse og omvendt. Det kunne fx observeres, når et materiale ruster, og efterfølgende vejer mere, end før det rustede. Man kendte også til energi i form af varme og ild. Men man så ingen sammenhæng mellem de to sfærer.

Der var godt nok begyndt at dukke sære fænomener op. Blandt andet havde ægteparret Curie lavet forsøg, der viste, at visse former for malm kunne udsende partikler time efter time i flere måneder. Hvordan det kunne lade sig gøre, var stadig et mysterium.

Her bragte Einstein en helt ny forklaring på banen: Lys. Eller rettere lysets hastighed (c).

Lysets hastighed forvirrede forskerne

Det kan være svært at forstå, hvorfor lysets hastighed kan have indflydelse på dannelse af masse og/eller energi. Så lad os se nærmere på lys' egenskaber.

Inden Einstein publicerede sine artikler, mente man i videnskabens verden, at fænomener som lys og lyd altid bevæger sig med en hastighed, der kan forøges eller sænkes alt efter, hvor man befinder sig.

Man mente, at hvis man bevæger sig i en bil med 50 km i timen og lyser med en lygte, så må lyset bevæge sig 50 km hurtigere, end hvis det var udsendt fra et fast punkt.

Men i slutningen af 1800-tallet lavede fysikerne Albert Michelson og Edward Morley en række forsøg, der viste, at selvom man "jager" lys, bevæger det sig hverken hurtigere eller langsommere.

Lysets hastighed overgår alt

Einstein mente også, at lysets hastighed måtte være en konstant. Han tog udgangspunkt i en anden forskers teori om lys, nemlig Maxwell, elektromagnetismens fader. Maxwell mente, at en lysstråle bevæger sig fremad ved, at der dannes en lille smule elektricitet, som ved sin bevægelse fremad danner et magnetisk felt, der følger med og danner ny elektricitet. En slags springen buk over hinanden.

Men Maxwell fik aldrig helt greb om, hvordan lys kunne bevæge sig hurtigere eller langsommere.

Einstein introducerede en helt ny tanke. Nemlig at lys altid bevæger sig med samme fart. Helt uafhængigt af, om det udsendes fra et punkt i fart eller ej.

Einstein foreslog desuden, at fordi elektriciteten altid bliver skubbet fremad af den magnetisme, der opstår, vil det være hurtigere end alle forfølgere. Lysbølger springer af sted med den ultimative fysiske fart i universet.

Masse er stivnet energi

Og hvad har lysets hastighed så at gøre med masse og energi? Forestil dig en rumfærge, der nærmer sig lysets hastighed. Piloten bliver ved med at tilføre energi til motorerne, men energien kan ikke bare bruges til at overstige lysets hastighed. På den anden side kan energien heller ikke forsvinde. I stedet presses den sammen til masse. Rumfærgen tager simpelthen på. E (energi) bliver til m (masse).

Solen er et omvendt eksempel. Hvert sekund forsvinder tonsvis af brint (masse) og bliver omdannet til energi.

Ethvert stof på Jorden er altså "stivnet" energi. Og kan energien udløses, har selv et stykke papir potentiale til at overtage energiforsyningen i hele Danmark.

Men det er ikke let at udløse energi. De brændstoffer vi bruger til at skaffe energi (fx benzin), udløser kun en brøkdel af den energi, der er bundet.

Tiden er relativ

At lys har en konstant hastighed påvirker også vores forståelse af tid. Når to rumskibe udsender et lysglimt mod Jorden, bevæger lyset sig med samme hastighed fra begge rumskibe.

Men hvis det ene rumskib står stille, og det andet bevæger sig i samme retning som lyset, vil der være forskel på, hvor lang tid det tager lyset at nå frem til Jorden. Det afhænger af, hvilket rumskib man befinder sig i. På rumskibet, der står stille, vil tiden gå hurtigere end ombord på rumskibet i fart.

Det kan være svært at acceptere, for vi er ikke vant til at bevæge os i nærheden af lysets hastighed. De hastigheder vi bevæger os med på Jorden er så uendeligt små, at vi ikke oplever variationer i tid.

Men tiden er relativ i modsætning til lysets hastighed, som jo er konstant.

Her kan du se et videoklip, der forklarer fænomenet med den relative tid:

Tvillingeparadokset

Den relative tid bliver ofte illustreret med tvillingepar, hvor den ene tager på rejse til en stjerne flere lysår væk, mens den anden bliver på Jorden.

Transporten foregår tæt på lysets hastighed, og som vi så før, vil tiden gå langsommere for den tvilling, der er i fart, end den tvilling der "står stille" på Jorden.

Fordi tiden går langsommere for den rejsende tvilling i forhold til den tvilling der blev på Jorden, vil astronaut-tvillingen ældes langsommere. Faktisk vil vedkommende være adskillige år yngre ved sin hjemkomst end sin tvilling.

Det forklarer den amerikanske astrofysiker Neil deGrasse Tyson i dette videoklip om relativitet og tvillingeparadokset:

Næste trin: Den generelle relativitetsteori

De næste ti år efter udgivelsen af den specielle relativitetsteori arbejdede Einstein på at indlemme tyngdekraften i sin teori. Resultatet blev et opgør med den klassiske fysik og forståelsen af tyngdekraft.

Ifølge Einstein kan tunge objekter ændre på rum-geometrien. I stedet for at anse tyngdekraft som resultat af masse, der tiltrækker masse - som Newton gjorde det - foreslog Einstein, at rummet krummer sig omkring objekter af varierende tyngde.

Et glimrende billede på det er en kanonkugle på en trampolin.

Kanonkuglen laver en fordybning på trampolinens overflade, og hvis man placerer en golfbold i nærheden, vil den trille mod kanonkuglen. I stedet for at masse tiltrækker masse, følger objekter altså bare rummets krumning.

I eksemplet vil en golfbold i høj fart cirkle om kanonkuglen for til sidst at støde ind i den.

Og det er netop hvad der vil ske med planeter omkring et meget tungt objekt, fx et sort hul. Først vil de gå i kredsløb og siden bliver de "opslugt".

Lys eller tid, som ikke har nogen masse, vil krumme sig omkring objektet og fortsætte på den anden side – medmindre krumningen er så stor, at lyset vil gå i kredsløb og på den måde ikke kunne slippe ud på den anden side (sort hul).

Jo større variation i tyngdekraften, desto større krumning.

Det betød Einsteins relativitetsteori

Einsteins tanker blev skelsættende for fysikken. Men hvorfor? Newtons forklaring på tyngdekraft, som er opstået af legemer, der tiltrækkes af hinanden, var sådan set meget enkel og klar.

Her på Jorden bevæger vi os alle med samme fart som jordkloden og solsystemet drejer. Derfor føler vi, at vi står stille. Den variation vi oplever, når en person står stille og den anden kører i bil er så lille, at forskellen i tid almindeligvis ikke er noget, vi opdager.

Når vi stort set har samme opfattelse af hastigheder og tid overalt på Jorden, er Newtons teori om tyngdekraft rigeligt til at forstå den omgivende verden.

Men i rummet, hvor afstandene er store og himmellegemerne er tunge og bevæger sig i høj fart i forhold til hinanden, er sagen imidlertid en anden.

Uden relativitetsteori ville GPS være ubrugeligt

Den generelle relativitetsteori har enorm betydning for, hvordan vi opfatter rummet og forstår universet. Big Bang-teorien var for eksempel aldrig opstået uden relativitetsteorien.

Men relativitetsteorien har også betydning for dagligdagsfænomener.

Et eksempel er GPS’er, som kan fastslå vores position på Jorden med en nøjagtighed ned til få meter. GPS’er får information fra satellitter, som er i et fast kredsløb om Jorden. Hvis man står et sted på Jorden, leder GPS’en efter satellitternes position på det nøjagtige tidspunkt.

To ting gør sig gældende her. For det første bevæger satellitterne sig hurtigere i forhold til den hviletilstand, som vi opfatter vi er i på Jorden. Så tiden på en satellit går 7 mikrosekunder langsommere end på Jorden.

Men tyngdefeltet har også betydning. Satellitterne befinder sig 20.000 km væk fra Jorden. Der er tyngdekraften fire gange lavere end på jordoverfladen, og det betyder, at tiden går 45 mikrosekunder hurtigere. Korrigerer man de to tal, går tiden altså 38 mikrosekunder hurtigere på en satellit.

Det lyder ikke af meget, men hvis man omregner til afstand, vil 38 mikrosekunders tidsforskel betyde en unøjagtighed på næsten 11 kilometer om dagen.

Hvis man ikke kendte til relativitetsteorien og kunne korrigere tidsforskellene, ville GPS systemet være ubrugeligt.

Relativitetsteori er ikke endelig bevist

Einsteins arbejde var teoretisk, og han brugte ikke tid på at bevise sine tanker med eksperimenter. Men det var der andre, der gjorde. I 1919 blev der lavet forsøg, der viste at Einstein havde ret i, at lys krummer sig som følge af rum-geometrien.

Andre dele af Einsteins teori er først blevet bevist ved årtusindskiftet, blandt andet i forsøgscentret CERN i Schweiz.

Alligevel er der i dag del-elementer af relativitetsteorien, som ikke er endelig bevist. Jo flere eksperimenter, der stemmer overens med hvad teorien forudsiger, der laves, desto mere styrke får teorien.

Mere om Einsteins relativitetsteori

100 år efter, at Albert Einstein udgav sin relativitetsteori, er teorien (sammen med kvantefysikken) de bedste forklaringer på, hvordan fysikken i vores univers er skruet sammen.

Vil du vide mere om, hvordan Einstein kom frem til sin relativitetsteori, bør du se videoklippet herunder, hvor blandt andre den amerikanske astrofysiker Neil deGrasse Tyson fortæller.

Vi guider dig rundt i forskernes fantastiske verden

Få 3 nr. af Illustreret Videnskab til 79,00. Klik her.

Læs også

Måske er du interesseret i ...

FÅ ILLUSTRERET VIDENSKABS NYHEDSBREV

Du får dit gratis særtillæg, Vores Ekstreme Hjerne, til download, straks du har tilmeldt dig nyhedsbrevet.

Fandt du ikke det, du ledte efter? Søg her: