Vad är relativitetsteori?

Vad är relativitetsteori?

Albert Einstein var känd för många saker, men hans största hjärnspöke är relativitetsteorin. Den förändrade för alltid vår förståelse av tid och rum.

Vad är relativitetsteori? Kortfattat uttryckt är det uppfattningen att fysikens lagar är desamma överallt. Vi här på jorden lyder under samma ljus- och gravitationslagar som någon i ett avlägset hörn av universum.

Fysikens universalitet innebär att historien är provinsiell. Olika betraktare kommer att se händelsernas tidpunkt och avstånd på olika sätt. Det som för oss är en miljon år kan bara vara ett ögonblick för någon som flyger i en höghastighetsraket eller faller ner i ett svart hål.

Allt är relativt.

Speciell relativitetsteori

Einsteins teori är uppdelad i speciell och allmän relativitetsteori.

Speciell relativitetsteori kom först och bygger på att ljusets hastighet är konstant för alla. Det kan tyckas enkelt nog, men det har långtgående konsekvenser.

Einstein kom till denna slutsats 1905 efter att experimentella bevis visat att ljusets hastighet inte förändrades när jorden svängde runt solen.

Detta resultat förvånade fysikerna eftersom hastigheten för de flesta andra saker beror på i vilken riktning observatören rör sig. Om du kör din bil längs ett järnvägsspår kommer ett tåg som kommer mot dig att verka röra sig mycket snabbare än om du vänder dig om och följer det i samma riktning.

Einstein sade att alla observatörer kommer att mäta ljusets hastighet till 186 000 miles per sekund, oavsett hur snabbt och i vilken riktning de rör sig.

Denna maxim fick komikern Stephen Wright att fråga: ”Om du befinner dig i ett rymdskepp som färdas med ljusets hastighet och du tänder strålkastarna, händer det då något?”

Svaret är att strålkastarna tänds normalt, men bara ur perspektivet av någon som befinner sig i rymdskeppet. För någon som står utanför och ser skeppet flyga förbi verkar strålkastarna inte tändas: ljuset kommer ut, men det färdas med samma hastighet som rymdskeppet.

De här motsägelsefulla versionerna uppstår eftersom linjaler och klockor – de saker som markerar tid och rum – inte är desamma för olika observatörer. Om ljusets hastighet ska hållas konstant som Einstein sa kan tid och rum inte vara absoluta; de måste vara subjektiva.

Till exempel kommer ett 100 fot långt rymdskepp som färdas med 99,99 % av ljusets hastighet att framstå som en fot långt för en stationär observatör, men det kommer att förbli sin normala längd för dem som befinner sig ombord.

Kanske är det till och med ännu konstigare att tiden går långsammare ju fortare man går. Om en tvilling åker i det snabba rymdskeppet till någon avlägsen stjärna och sedan kommer tillbaka, kommer hon att vara yngre än sin syster som stannade på jorden.

Massan beror också på hastigheten. Ju snabbare ett föremål rör sig, desto mer massiv blir det. Faktum är att inget rymdskepp någonsin kan nå 100 procent av ljusets hastighet eftersom dess massa skulle växa till oändlighet.

Detta förhållande mellan massa och hastighet uttrycks ofta som ett förhållande mellan massa och energi: E=mc^2, där E är energi, m är massa och c är ljusets hastighet.

Allmän relativitetsteori

Einstein var inte färdig med att rubba vår förståelse av tid och rum. Han fortsatte att generalisera sin teori genom att inkludera acceleration och fann att detta förvrängde tidens och rummets form.

För att hålla sig till exemplet ovan: Föreställ dig att rymdskeppet ökar hastigheten genom att avfyra sina propellrar. De som befinner sig ombord kommer att hålla fast vid marken precis som om de befann sig på jorden. Einstein hävdade att den kraft som vi kallar gravitation inte går att skilja från att befinna sig i ett accelererande skepp.

Detta var i sig självt inte så revolutionerande, men när Einstein räknade ut den komplicerade matematiken (det tog honom 10 år) upptäckte han att rum och tid är krökta i närheten av ett massivt objekt, och att denna krökning är det som vi upplever som gravitationskraften.

Det är svårt att föreställa sig den allmänna relativitetsprincipens krökta geometri, men om man tänker sig att rymdtiden är ett slags tyg, så sträcker ett massivt objekt ut det omgivande tyget på ett sådant sätt att allt som passerar i närheten inte längre följer en rak linje.

De allmänna relativitetsekvationerna förutsäger ett antal fenomen, varav många har bekräftats:

• Böjning av ljus runt massiva objekt (gravitationslinser)
• Långsam utveckling av planeten Merkurius omloppsbana (perihelionprecession)
• Rymdtidens ramdragning runt roterande kroppar
• Försvagning av ljus som undgår gravitationens dragningskraft (gravitationsrödförskjutning)
• Gravitationsvågor (vågor i rymden-tidväven) som orsakas av kosmiska smashups
• existensen av svarta hål som fångar in allt, inklusive ljus

Den förvrängning av rymdtiden som sker runt ett svart hål är mer intensiv än någon annanstans. Om den rymdfarliga tvillingen föll in i ett svart hål skulle hon bli utsträckt som spaghetti.

Turligt nog för henne skulle allt vara över på några sekunder. Men hennes syster på jorden skulle aldrig få se det ta slut – hon skulle se sin stackars syster röra sig stegvis mot det svarta hålet under universums ålder.

Tilläggsresurser:

• Se den här videon som förklarar vad relativitetsteorin handlar om, från Fermilab.
• Läs mer om Einsteins allmänna relativitetsteori, från Space.com.
• Läs mer om Albert Einsteins liv och vetenskapliga upptäckter, från Nobelstiftelsen.

Denna artikel uppdaterades den 2 juli 2019 av Tim Childers från Live Science.