Albert Einstein og relativitetsteorien for begyndere
I 2020 blev Albert Einsteins relativitetsteori 115 år gammel.
Men selvom de fleste kender Einstein, bliver mange lidt mere tøvende, når det kommer til at forklare hans berømte teori.
Her er relativitetsteorien for begyndere.
Hvad er Einsteins relativitetsteori?
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 fik man øjnene op for 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.
Einsteins relativitetsteori forenede de tre grundlæggende teorikomplekser: tyngdeloven, elektrodynamikken og termodynamikken.
Mirakelåret 1905
Før Albert Einstein kom frem til sine konklusioner, var han nødt gøre op med nogle ellers alment accepterede antagelser i det videnskabelige miljø.
Det arbejde begyndte i starten af 1900'erne og kulminerede i 1905 - et år, der senere blev kendt som Einsteins mirakelår.
Hvad er den specielle relativitetsteori?
Albert Einsteins formel (E = mc2) fortæller grundlæggende, at energi (E) er lig med masse (m) ganget med lysets hastighed (c) i kvadrat.
Kort sagt betyder det, at energi og masse kan ændre sted. Energi kan tilbageholdes i stoffer med en masse, og den energi kan senere frigives.
Eller sagt på en anden måde: Formlen E=mc2 betyder, at energi svarer til masse ganget med lysets hastighed i kvadrat.
Det betyder, at alt der har masse også besidder energi, selv når det ikke er i bevægelse.
Den 21. november 1902 blev Albert Einsteins videnskabelige rapport offentliggjort med den berømte ligning E = mc2.
Inden den specielle relativitetsteori vidste man godt, at "luft" kunne omdannes til masse og omvendt.
Det kunne fx observeres, når et materiale rustede, og efterfølgende vejede 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.
Et mysterium, som Albert Einstein kom med en helt ny forklaring på: 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 Albert 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
Albert Einstein mente også, at lysets hastighed måtte være en konstant. Han tog udgangspunkt i en anden forskers teori om lys, nemlig den skotske fysiker James Clerk Maxwells.
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.
Albert 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 en masse (m). 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
Albert Einsteins relativitetsteori viser, at lys har en konstant hastighed, og derfor påvirker det også vores forståelse af tid. Tiden er relativ, og at vi opfatter tiden forskelligt kaldes tidsudvidelse.
Lad os tage et eksempel på tidsudvidelse:
Her er en illustration af eksemplet på tidsudvidelse inden for den generelle specielle relativitetsteori. For astronauten på ydersiden vil laserstrålen rejse længere afstande, når rumfartøjet bevæger sig fremad.
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.
Video: Forklaring af den relative tid
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.
Video: Forklaring af relativitet og tvillingeparadokset
Det er, hvad den amerikanske astrofysiker Neil deGrasse Tyson forklarer i denne video 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 Albert 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.
Relativitetsteorien viser, at tunge genstande ændrer rumtidens geometri som en kanonkugle på en trampolin, der tiltrækker en golfbold.
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 kan slippe ud på den anden side (sort hul).
Jo større variation i tyngdekraften, desto større krumning.
Hvad bruges relativitetsteorien til?
Einsteins tanker blev skelsættende for fysikken. Men hvad bruges relativitetsteorien egentlig til, og er det ikke nok med Newtons tyngdelov?
Newtons forklaring på tyngdekraft, som legemer der tiltrækkes af hinanden, var forholdsvis enkel.
Her på Jorden bevæger vi os alle i samme tempo, som jordkloden og solsystemet drejer. Derfor føler vi, at vi står stille.
Den variation vi oplever, når en person står stille og en 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. Derfor er Einsteins relativitetsteori vigtig.
Einsteins generelle relativitetsteori har fået enorm betydning for, hvordan vi opfatter rummet og forstår universet. Big Bang-teorien var for eksempel aldrig opstået uden relativitetsteorien.
Uden relativitetsteorien ville GPS'er være ubrugelige
Relativitetsteorien har også betydning for dagligdagsfænomener.
Et eksempel er GPS’er, som kan fastslå vores position på Jorden med stor nøjagtighed.
GPS’er får information fra satellitter, som kredser 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. Derfor går tiden på en satellit 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 det 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.
Relativitetsteorien er ikke endelig bevist
Albert 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 som følge af tyngdekraften.
Andre dele af Einsteins relativitetsteori er først blevet bevist ved årtusindskiftet, blandt andet i forsøgscentret CERN i Schweiz.
Alligevel er der i dag del-elementer af Einsteins relativitetsteori, som ikke er endelig bevist. Jo flere eksperimenter der stemmer overens med teoriens hovedpointer, desto mere tyngde får teorien.
100 år efter, at Albert Einstein udgav sin relativitetsteori, er teorien (sammen med kvantefysikken) den bedste forklaringer på, hvordan fysikken i vores univers er skruet sammen.