F:\VESTA\Gescande Vesta`s\Vesta 054\Kuijt 54.wpd

Einstein I
Einstein, dat wil zeggen zijn (relativiteits) theorieën zijn voor een leek (als U en
ook ik) bepaald niet eenvoudig te bevatten. Vergeten doet men ook snel en er
zullen weer nieuwe abonnee's zijn die de eerdere artikelen over Einstein niet
gelezen hebben.
Drie redenen om -heel in het kort- nog eens een en ander samen te vatten. (NB
Het is onjuist om over de relativiteitstheorie van Einstein te spreken, er zijn er
nl twee):
1)
De speciale relativiteitstheorie (Vesta nr 's 42 t/m 49), gepubliceerd in
1905, waarin de lichtsnelheid centraal staat (sneller kan niet): Bij zeer
grote snelheden (v) blijken afstand, massa en tijd niet constant.
De steeds weer terug kerende factor:
(1)
NB. Als de snelheid v gelijk zou worden aan de lichtsnelheid c dan wordt deze
factor gelijk aan nul !
Bij (zeer) grote snelheden (v) wordt
lengte = l0 .
massa = m0 .
tijd = t0 .
dwz: lengtes nemen af, massa's nemen toe en het klokje loopt langzamer, achter
dus. (Voorbeeld: tweelingparadox : Degene die een zeer snelle ruimtereis
maakt is bij terugkeer jonger dan zijn tweelingbroer. Zie Vesta nr 49)
2) De algemene relativiteitstheorie (Vesta nr's 42,43 en 50), door Einstein
gepubliceerd in 1917, is in wezen een zwaarte-krachtstheorie waarin echter ook
weer de lichtsnelheid een cruciale rol speelt. Om de lezer 'lekker te maken' ook
deze serie te volgen is reeds iets verteld over een der aspecten ervan: de zwarte
gaten (Vesta nr's 51 en 53).
Nu bestond er al voor Einstein de zwaartekrachtstheorie van Newton. Moeten
we deze nu als ondeugdelijk aan de kant schuiven ?
Neen, zeker niet. In gematigde situaties (zoals bij ons op aarde) voldoet deze
nog prima. Onder extreme omstandigheden (zoals deze zich in het heelal
kunnen voordoen) laat Newton's theorie ons (d.w.z. de astronoom) echter
volkomen in de steek !
Het is daarom dat de theorieën van Einstein zo breed uitgemeten worden in ons
Vestablad. De moderne sterrenkundige zou volstrekt 'vastlopen' zonder deze.
Een essentieel verschilpunt tussen de theorieën van Newton en Einstein is het
feit dat Newton de zwaartekracht ook als kracht beschouwd (te berekenen met
zijn formule
m1 .m2
F = G .———
r2
In de filosofie van Einstein merken we pas iets van de zwaartekracht als een
lichaam verhinderd wordt te 'vallen'.
Het vlak waarop wij staan oefent een kracht (omhoog) op ons uit (waardoor we
niet vallen) en deze kracht bemerken wij.
Tijdens een vrije val (te ondergaan door bv van een 6 meterplank in het
zwembad te springen) 'voelen' we niets, evenmin als de astronaut in zijn
ruimtevaartuig.
Ik spreek bewust van 'filosofie'. Het is in wezen van niet zo’n groot belang of
we de zwaartekracht nu wel of niet als kracht beschouwen maar vanaf nu gaan
we wel uit van 'geen kracht' in onze verdere beschouwingen.
Met een lichaam 'in vrije val' of tijdens rondcirkelen rond de aarde (zoals
ruimtevaartuig en ook onze maan), gebeurt er dus niets. Immers, er werkt geen
kracht op het lichaam. De (totale) energie ervan verandert dus ook niet.
Zoals men weet zijn er meerdere vormen van energie zoals elektrische energie,
kinetische (bewegings) energie etc.
Volgens Einstein vertegenwoordigt massa ook energie (ook wel rustenergie
genoemd) en niet zo'n klein beetje !
Deze (rust)energie kennen we uit de beroemde formule
E = m . c2
Tijdens de vrije val (richting zwaar lichaam zoals onze aarde) neemt de
kinetische energie duidelijk toe. Dus een andere vorm van energie moet
afnemen ! En dit is (raadt U het al ?)..de rustenergie, d.w.z. de rustmassa neemt
af !
De zwaartekracht vermindert de (rust)massa !
Treft een vallend lichaam de grond dan zal het zijn kinetische energie verliezen,
zijn rustenergie blijft bij het treffen van de grond echter gelijk dus...zijn totale
energie is afgenomen !
Een appel op de grond heeft minder energie (dus minder massa) dan hangend
aan een boomtak.
Een ander (misschien nog verrassender) effect van Einsteins algemene
relativiteitstheorie is het verschijnsel dat een klokje op de grond langzamer
loopt dan een klokje aan een boomtak:
De zwaartekracht vertraagt de tijd !
Nogmaals: deze effecten op aarde zijn zo gering dat ze aanvankelijk niet
meetbaar waren zodat lange tijd (om precies te zijn tot 1975) zelfs
hooggeleerde heren twijfelden aan de juistheid van Einsteins theorie.
Totdat de zg atoomklok 'uitgevonden' werd. Deze bezit werkelijk een
ongehoorde precisie . Nu kon Einsteins theorie onderzocht worden !
In 1975 vloog een vliegtuig een aantal rondjes op 9000 m hoogte met uiteraard
een set atoomklokken aan boord.
Deze bleken voor te lopen vergeleken bij een overeenkomstige set op de grond.
(Indien U het verschil wil weten: drie miljardste seconde per uur, ofwel 0,1 s
per eeuw !)
NB. De vliegtuigen mochten ook niet te snel vliegen want uit de speciale
relativiteitstheorie volgt ook: klokjes lopen langzamer bij hoge snelheden.
Bovenstaand experiment was dus wederom een triomf voor Einstein, evenals
die keer toen bij een zonsverduistering bleek dat licht inderdaad door massa
afgebogen wordt. (Vesta juli '91).
Een andere consequentie van het minder energie (rustmassa) hebben op de
grond dan aan een boomtak (we blijven maar even bij dit beeld) is het feit dat
de frequentie van een foton, uitgezonden vanaf de grond, lager is (en bij
zichtbaar licht dus ook naar rood verschoven) dan uitgezonden vanaf een
boomtak. Immers, de energie van een foton is evenredig aan zijn frequentie.
Of U het geloven wil of niet, ook dit effect is gemeten en... juist bevonden !
Maar daar over in een volgend nummer.
Jaap Kuyt.