Die
relatiwiteitsteorie
omvat twee teoriee deur
Albert Einstein
:
spesiale relatiwiteit
en
algemene relatiwiteit
.
[1]
Die belangrikste begrippe van die relatiwiteitsteoriee is:
- Die grootte van lengte, massa en tyd is relatief en hang af van die posisie en bewegingsnelheid van die waarnemer.
- Die snelheid van lig is nogtans onveranderlik, dus dieselfde vir alle waarnemers.
- Ruimtetyd
: Ruimte en tyd moet saam en in verhouding tot mekaar beskou word.
Die begrip relatiwiteit word in die
fisika
veral gebruik om na enige bewegende stelsel of raamwerk met betrekking tot 'n ander bewegende stelsel te verwys. Volgens die relatiwiteitsteorie het geen liggaam 'n absolute waarde van rus of
beweging
nie, aangesien dit altyd relatief tot 'n ander liggaam gesien word.
Hoewel dit byvoorbeeld vir iemand lyk of 'n boom stilstaan, moet die waarnemer in gedagte hou dat sowel hy as die boom beweeg (die
aarde
beweeg tog met ʼn snelheid van 1800 km/h in sy baan) en dat hy relatief tot die boom bloot met dieselfde snelheid beweeg.
Galileo Galilei
, 'n vroeere natuurkundige, was in sy tyd reeds bewus van relatiwiteit en het eenvoudige wiskundige relasies geformuleer aan die hand waarvan hy 'n aantal stellings gemaak het. Albert Einstein (
1879
-
1955
) het uiteindelik sommige van Galilei se stellings weerle. Volgens Einstein kan 'n stelsel met
swaartekrag
gesien word as 'n stelsel sonder swaartekrag wat aan ʼn versnelling onderhewig is.
Aan die hand daarvan kon hy die beweging van
hemelliggame
uit 'n ander oogpunt as byvoorbeeld
Newton
beskou en het hy ook die grondslag vir die moderne kosmologie gele. Die spesiale relatiwiteitsteorie het betrekking op
elektromagnetisme
. Einstein se eerste publikasie hieroor heet. Die
elektrodinamika
van bewegende liggame. Op die keper beskou het Einstein elektromagnetisme egter bloot gebruik om lig as 'n elektromagnetiese verskynsel te beskryf en het sy teoriee verder voortgebou op veral die snelheid van
lig
.
Die relatiwiteitsteorie het in die
20ste eeu
’n groot invloed gehad op teoretiese
fisika
en
sterrekunde
. Toe dit die eerste keer gepubliseer is, het dit die 200 jaar oue meganikateorie vervang wat hoofsaaklik deur
Isaac Newton
geskep is.
[2]
[3]
[4]
In fisika het relatiwiteit die wetenskap van
elementere deeltjies
en hul basiese wisselwerkings verbeter, en dit het die
kerntydperk
ingelui. Dit het ook daartoe gelei dat buitengewone astronomiese verskynsels voorspel is soos
neutronsterre
,
swartkolke
en
swaartekraggolwe
.
[2]
[3]
[4]
Ooreenkomstig die opvattinge van byvoorbeeld
Isaac Newton
is daar oor die algemeen aanvaar dat die hele kosmos elke sekonde ʼn sekonde ouer word. Galileo Galilei het byvoorbeeld eenvoudige relasies opgestel aan die hand waarvan hy die volgende stellings gemaak het:
- dat die
tyd
in elke stelsel dieselfde is, met ander woorde dat dit oral ewe laat is (t' =1);
- dat iemand wat hom in ʼn bewegende voertuig bevind, se posisie ten opsigte van ʼn stilstaande voorwerp steeds verander, dit wil se dat die voorwerp met 'n snelheid - v ten opsigte van die waarnemer beweeg;
- dat iemand wat in 'n voertuig (byvoorbeeld 'n trein) teen 5 km/h vorentoe loop terwyl die voertuig self teen 50 km/h beweeg, eintlik teen 55 km/h beweeg.
Sulke verskynsels was uit daaglikse ervarings bekend en tot aan die einde van die vorige eeu het niemand aan die juistheid van Galilei se stellings (Galilei-transformasies) getwyfel nie. Intussen het
James Clerk Maxwell
(
1831
-
1879
) sy teoriee in verband met elektrisiteit en elektromagnetiese golwe geformuleer en byvoorbeeld aangedui dat lig as elektromagnetiese golwe met ʼn snelheid c (c=300 000 km/s) deur ʼn lugleegte voortgeplant word. Maxwell was egter, soos vele ander, onder die indruk dat lig en ander elektromagnetiese golwe, soos radiogolwe. deur middel van ʼn medium voortgeplant word.
Die medium (
fluidum
) is met 'n yl gas vergelyk wat alles omhul en "eter" genoem word. Volgens hom is ligsnelheid dan ten opsigte van die eter bepaal, en kon die snelheid van plek tot plek verskil. In 1887 het
Albert Abraham Michelson
(
1852
-
1931
) en, onafhanklik van hom,
Edward Williams Morley
(
1838
-
1923
) egter vasgestel dat eter die snelheid van lig nie beinvloed nie. Hierdie negatiewe resultaat het heelwat verwarring veroorsaak en
Hendrik Antoon Lorentz
(
1853
-
1928
) en
George Francis Fitzgerald
(
1851
-
1901
) het onder meer geprobeer om dit aan die hand van wiskundige vergelykings te verklaar.
Albert Einstein kon egter later, aan die hand van Michelson en Morley se bevindings, die eterteorie omverwerp. Tot dusver het al die natuurkundiges steeds aangeneem dat tyd konstant is, terwyl byvoorbeeld ligsnelheid 'n veranderlike is. Michelson en Morley het egter ook vasgestel dat, afgesien van die resultate ten opsigte van eter, die ligsnelheid altyd dieselfde was. Hulle het byvoorbeeld eers die snelheid van lig teen die aarde se beweging, en toe saam met die aarde se beweging bepaal, en elke keer dieselfde resultaat verkry, naamlik 300 000 km/s.
Einstein het toe besef dat ligsnelheid, en nie tyd nie, 'n konstante is. Die snelheid van lig, relatief tot ʼn waarnemer, is dus konstant, ongeag die snelheid waarteen hy self beweeg. Die veranderlikheid van tyd kan geillustreer word aan die hand van die begrip gelyktydigheid.
Veronderstel dat 2 horlosies, byvoorbeeld 1 000 km van mekaar af, gelyk gestel moet word. Van die een horlosie af moet 'n sein dus op 'n gegewe oomblik gestuur word om die moment te bepaal waarop die ander horlosie reggestel moet word. Die vinnigste bekende manier waarop 'n sein gestuur kan word, is met behulp van lig (300 000 km/s). Selfs lig, wat teen hierdie ontsaglike hoe snelheid beweeg, sal egter ʼn tydjie neem om 1 000 km te oorbrug.
Die tweede horlosie sal dus altyd ʼn sekere tyd agter die eerste een wees. Tyd het dus geen absolute waarde nie aangesien dit van plek tot plek kan verskil. Oor klein afstande is tydsverskille baie klein, amper weglaatbaar, maar oor groot afstande is die tydsverskil opmerklik.
'n Ster wat 1 000 ligjare van die aarde verwyder is, se lig neem 1 000 jaar om die aarde te bereik. Op enige gegewe oomblik is daar dus 'n tydsverskil van 1 000 jaar tussen die aarde en die
ster
en is dit onmoontlik om iets wat op die 2 liggame gelyktydig gebeur, waar te neem.
Die relatiwiteitsteorie het meer as ’n enkele nuwe fisikateorie verteenwoordig. Daar is ’n paar redes.
- Eerstens is spesiale relatiwiteit in
1905
gepubliseer, en die finale vorm van algemene relatiwiteit in 1916.
[2]
- Tweedens het spesiale relatiwiteit betrekking op elementere deeltjies en hul wisselwerkings, terwyl algemene relatiwiteit die kosmologiese en astrofisiese terreine, insluitende sterrekunde, raak.
[2]
- Derdens is spesiale relatiwiteit teen 1920 in die fisikawereld aanvaar. Dit het ’n belangrike en noodsaaklike middel geword vir teoretici in die nuwe velde van atoom- en kernfisika en
kwantummeganika
. Daarteenoor het algemene relatiwiteit aanvanklik nie baie bruikbaar gelyk nie. Dit is beskou as net ’n manier om klein veranderings te maak aan voorspellings van die Newtonse swaartekragteorie.
[2]
- Laastens het die werking van algemene relatiwiteit baie moeilik gelyk. Daar is geglo net ’n paar mense ter wereld kon dit heeltemal verstaan.
Omstreeks
1960
het belangstelling in algemene relatiwiteit toegeneem en dit was belangrik vir die proses om algemene relatiwiteit ’n onontbeerlike deel van fisika en sterrekunde te maak. Nuwe wiskundige tegnieke het berekenings in ’n groot mate verbeter.
Verder het die ontdekking van eksotiese sterrekundige verskynsels, waarop algemene relatiwiteit toepaslik was, gehelp om die gewildheid daarvan te laat toeneem. Die verskynsels sluit in
kwasars
(
1963
),
kosmiese agtergrondstraling
(
1965
),
pulsars
(
1967
) en die ontdekking van die eerste
swartkolk
-kandidate (
1981
).
[2]
Die twee teoriee hou verband met mekaar. Spesiale relatiwiteit is van toepassing op alle fisiese verskynsels behalwe
swaartekrag
. Algemene relatiwiteit verskaf die wet van swaartekrag asook die verband tussen swaartekrag en die ander
natuurkragte
.
[5]
Die spesiale relatiwiteitsteorie is in
1905
deur
Albert Einstein
ontwikkel en is in
Annalen der Physik
bekend gemaak in die artikel "Die Elektrodinamika van Bewegende Liggame". Die teorie gaan uit van die volgende twee veronderstellings:
- Die wette van die
natuurkunde
(insluitend die van die
elektrodinamika
) is dieselfde vir waarnemers in
inersiestelsels
wat eenparig ten opsigte van mekaar beweeg.
- Die ligsnelheid in ’n
vakuum
is ’n universele konstante: 299 792 458 m/s vir alle waarnemers in inersiestelsels, onafhanklik van hul onderlinge (relatiewe) beweging.
Die eerste veronderstelling sluit aan by ’n grondidee van die relatiwiteitsteorie wat reeds in
1600
by
Galileo Galilei
ontstaan het. Die tweede veronderstelling was (in Einstein se tyd) ’n heel nuwe beginsel, met besonder verreikende gevolge ondanks die eenvoud daarvan. Om die twee basisidees met mekaar te versoen, is spesiale transformasies, die sogenaamde
Lorentz-transformasies
, nodig om plek en tyd van die een waarnemer om te reken in plek en tyd van die ander. Hieruit volg dat plek en tyd met mekaar verbind is. Net so kan
elektriese
en
magneetvelde
(
E
en
B
) vir verskillende waarnemers omgereken word met Lorentz-transformasies.
Uit die spesiale relatiwiteit volg ook Einstein se beroemde formule
E = mc
2
, wat die gelykwaardigheid van
massa
en
energie
uitdruk. Volgens die teorie is ruimte en tyd ook verskynsels van dieselfde
ruimtetyd
met vier
dimensies
: tyd is die vierde dimensie. Gelyktydigheid is relatief: twee verskynsels wat vir een waarnemer lyk of dit gelyktydig plaasvind, kan vir ’n ander waarnemer lyk of die een voor die ander gebeur. Die teorie voorspel dat die lengte verkort (die sogenaam
lengte-inkrimping
) en tyd traer verloop (die sogenaamde
tyduitrekking
) namate die snelheid die ligsnelheid nader. Dit open in beginsel die moontlikheid van tydreise, meer bepaald na die toekoms.
Die algemene relatiwiteitsteorie is in
1915
deur Einstein voorgestel in ’n reeks lesings voor die
Pruisiese
Akademie van Wetenskappe.
Hierdie teorie gaan uit van die veronderstelling dat waarnemers wat hulle in rus in ’n gelykmatige swaartekragveld bevind, gelykwaardig is met ander waarnemers wat ’n konstante versnelling ondervind.
Die veralgemening van die relatiwiteitsbeginsel gaan saam met ’n nuwe teorie van
swaartekrag
. Hierin word swaartekrag nie meer beskou as ’n krag soos in die wette van
Newton
nie, maar as ’n meetkundige eienskap van die ruimte self. ’n
Massa
trek die ruimte rondom hom krom, waardeur dit lyk of die massa ander massas aantrek. Volgens Newton sou swaartekrag vinniger as lig wees. As die
maan
byvoorbeeld skielik sou verdwyn, sou ’n mens eers sien dat die
getye
terugtrek voordat jy sien die maan is weg ? en dit is onmoontlik volgens spesiale relatiwiteit.
So het Einstein die afbuiging van lig van ’n
ster
deur die
son
voorspel. Hoewel
fotone
geen
rusmassa
besit nie, is hulle volgens die verhouding
E = hν
van
Max Planck
’n vorm van
energie
. Vanwee
E = mc
2
is energie en massa gelyk en trek die son se swaartekragveld lig aan.
Die relatiwiteitsteorie word dikwels in moderne elektronika gebruik, soos die
Globale posisioneringstelsel
(GPS). GPS-stelsels bestaan uit drie aspekte: die ruimte-, beheer- en gebruikerkomponent. Die ruimtekomponent bestaan uit satelliete wat in spesifieke
wentelbane
geplaas word. Die beheerkomponent bestaan uit ’n stasie waarheen alle data van die ruimtekomponent gestuur word. Baie relatiwiteitseffekte vind plaas in GPS-stelsels.
Aangesien elk van die komponente in ’n ander verwysingstelsel is, moet al die relatiwiteitseffekte in aanmerking geneem word sodat die stelsel noukeurig werk. Die horlosies van die GPS-stelsels moet gesinchroniseer word. In die stelsels moet die swaartekragveld van die aarde in ag geneem word. Daar is relatiwiteitseffekte in die satelliet in die ruimte wat in ag geneem moet word. GPS-stelsels werk met sulke noukeurigheid danksy die relatiwiteitsteorie.
[6]
- ↑
Einstein A. (1916),
Relativity: The Special and General Theory
, New York: H. Holt and Company
- ↑
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
Will, Clifford M (1 Augustus 2010). "
Relativity
".
Grolier Multimedia Encyclopedia
. URL besoek op 2010-08-01.
Geargiveer
21 Mei 2020 op
Wayback Machine
- ↑
3,0
3,1
Will, Clifford M (1 Augustus 2010). "
Space-Time Continuum
".
Grolier Multimedia Encyclopedia
. URL besoek op 2010-08-01.
[dooie skakel]
- ↑
4,0
4,1
Will, Clifford M (1 Augustus 2010). "
Fitzgerald?Lorentz contraction
".
Grolier Multimedia Encyclopedia
. URL besoek op 2010-08-01.
[dooie skakel]
- ↑
Einstein, Albert (28 November 1919). "Time, Space, and Gravitation".
The Times
.
- ↑
"argiefkopie"
(PDF)
. Geargiveer vanaf
die oorspronklike
(PDF)
op 5 November 2015
. Besoek op
28 Junie
2014
.