2. De lezing van de professor over de relativiteitstheorie die Mr. Tompkins' droom veroorzaakte.

Dames en heren:

In een zeer primitief stadium van ontwikkeling vormde zich in de menselijke geest duidelijk omschreven denkbeelden over ruimte en tijd die dienden als raamwerk waarbinnen zich gebeurtenissen afspeelden. Deze denkbeelden zijn zonder wezenlijke veranderingen van generatie op generatie doorgegeven en, met de ontwikkeling van de exacte wetenschappen, verwerkt in de fundamenten van de wiskundige beschrijving van het universum.
De grote geleerde Newton was misschien de eerste die een heldere formulering gaf van de klassieke denkbeelden over ruimte en tijd toen hij in zijn "Philosophiae naturalis principia mathematica" schreef:
'Absolute ruimte blijft, van zichzelf, onafhankelijk van enige externe invloed,altijd gelijk en onbeweegbaar;'
en
'Absolute, ware en wiskundige tijd verloopt van zelf en van zichzelf gelijkmatig onafhankelijk van enige externe invloed.'

Het geloof in de absolute juistheid van deze klassieke denkbeelden over ruimte en tijd was zo sterk dat ze vaak door filosofen a priori werden aangenomen en er was geen wetenschapper die er zelfs maar aan dacht ze in twijfel te trekken.

Toch werd het aan het begin van de 20ste eeuw duidelijk dat een aantal uitkomsten van zeer verfijnde natuurkundige experimenten tot tegenspraken leidden als men ze interpreteerde volgens de klassieke opvattingen van ruimte en tijd. Dit bracht een van de grootste natuurkundigen, Albert Einstein, op het revolutionaire idee dat er, behalve op grond van traditie, eigenlijk geen reden was om de klassieke denkbeelden van ruimte en tijd als absolute waarheden te beschouwen en dat deze veranderd konden en moesten worden om in overeenstemming te komen met onze nauwkeuriger waarnemingen.
We hoeven ons er eigenlijk niet over te verbazen dat deze klassieke denkbeelden, gebaseerd op dagelijkse menselijke waarnemingen, te ruw en onnauwkeurig bleken te zijn na met moderne, nauwkeurige methoden te zijn gecontroleerd. Hun gebruik in het dagelijks leven en tijdens de eerste fasen van de ontwikkeling van de natuurkunde was mogelijk omdat de afwijkingen voldoende klein waren om te mogen worden verwaarloosd. Evenmin hoeven we ons er over te verbazen dat, met de uitbreiding van het onderzoekterrein van de exacte wetenschappen, we in gebieden belanden waar deze afwijkingen zo groot worden dat de klassieke denkbeelden volledig onbruikbaar zijn.

Het belangrijkste experimentele resultaat dat tot fundamentele kritiek op de klassieke denkbeelden leidde was de ontdekking dat de lichtsnelheid in vacuüm de maximum fysische snelheid is. Deze belangrijke en onverwachte conclusie danken we voornamelijk aan de Amerikaanse natuurkundige Michelson. Hij probeerde aan het eind van de vorige eeuw de invloed van de beweging van de aarde op de voortplantingssnelheid van licht te meten. Tot zijn grote verbazing en die van de wetenschappelijke wereld vond hij geen enkele invloed en stelde vast dat de voortplantingssnelheid van licht in vacu|m altijd dezelfde is onafhankelijk van het systeem waarin deze is gemeten en van de beweging van de bron die het uitzendt. Het is niet nodig om uit te leggen dat een dergelijk resultaat hoogst opmerkelijk is en in tegenspraak met onze fundamentele denkbeelden over beweging.
In werkelijkheid is de snelheid waarmee je tegen een voorwerp botst dat naar je toe beweegt, gelijk aan de som van jouw snelheid en die van je tegemoetkomend voorwerp. En, is de snelheid waarmee een voorwerp je treft waarvoor je wegloopt, gelijk aan het verschil van de twee snelheden.

Beweeg je b.v. in een auto naar een geluidsbron toe dan is de geluidssnelheid die je in de auto meet vermeerderd met de snelheid van de auto. Zo ook wordt deze verminderd met de snelheid van de auto als die zich van de geluidsbron af beweegt. We noemen dit het "theorema van het samenstellen van snelheden" en dit is altijd als vanzelfsprekend aangenomen.

Toch hebben de meest nauwkeurige experimenten aangetoond dat in het geval van licht, dit theorema niet langer geldt; de voortplantingssnelheid van licht in vacu|m is altijd dezelfde en gelijk aan 300.000 km per seconde, onfhankelijk van de beweging van de waarnemer.

'Ja,' zal men zeggen, 'maar is het niet mogelijk een superlichtsnelheid te construeren door een aantal kleinere snelheden die realiseerbaar zijn, samen te voegen?'

We kunnen ons b.v. een trein voorstellen die met een snelheid van driekwart de lichtsnelheid voortraast en op het dak van die trein een zwerver die hier met dezelfde snelheid overheen rent achtervolgt door iemand van de spoorwegpolitie.

Volgens het theorema van het samenstellen, zou de totale snelheid dan anderhalf maal de lichtsnelheid zijn en zou de zwerver het licht van een seinlamp langs de spoorlijn moeten inhalen. In werkelijkheid echter, omdat de constantheid van de lichtsnelheid een experimenteel feit is, moet de resulterende snelheid in ons geval lager zijn dan we verwachten - ze kan niet groter worden dan de lichtsnelheid; en dus moeten we vaststellen dat, ook voor lagere snelheden, het klassieke theorema van het samenstellen van snelheden fout is.

De wiskundige behandeling van dit probleem, die hier verder niet ter sprake komt, leidt tot een vrij eenvoudige formule om de resulterende snelheid van twee gecombineerde bewegingen te berekenen.

Als v1 en v2 de twee snelheden zijn die we willen combineren, dan is het resultaat:

v = (v1+v2)/(1+v1v2/c2) ..........................(1)


Het is duidelijk dat in het geval dat v1 en v2 klein zijn vergeleken met de lichtsnelheid c, de tweede term in de noemer verwaarloosbaar is in vergelijking met 1 en dat we dan weer het klassieke theoram terug zien. Zijn v1 en v2 echter niet klein, dan is het resultaat altijd iets kleiner dan de rekenkundige som. Zo wordt in ons geval van de zwerver op het dak van de trein waarin v1 en v2 beide 3c/4 zijn, de resulterende snelheid volgens (1) 24c/25, dus nog steeds kleiner dan de lichtsnelheid.

In het speciale geval dat een van de twee snelheden gelijk is aan c, is volgens (1) de resulterende snelheid ook c, onafhankelijk van de andere snelheid. Dus, hoe we snelheden ook met elkaar combineren, de resulterende snelheid is nooit groter dan c.
Bovenstaande formule is experimenteel bewezen.

Nu we het bestaan van een maximum snelheid hebben aangenomen, kunnen we onze aanval op het klassieke denkbeeld van ruimte en tijd beginnen. We kijken eerst naar het begrip gelijktijdigheid.

Wanneer je zegt, 'De explosie in de mijn bij Kaapstad vond op hetzelfde tijdstip plaats als waarop het ontbijt werd geserveerd in je Londense flat,' dan denk je dat je weet wat je zegt. Ik zal echter laten zien dat dit niet zo is, en dat, strikt genomen, deze uitspraak geen exacte betekenis heeft.
Hoe stel je je voor te controleren dat twee gebeurtenissen op twee verschillende plaatsen gelijktijdig plaatsvonden of niet ? Je zou kunnen zeggen dat de klok op beide plaatsen dezelfde tijd aangaf. Hierbij moet echter eerst de vraag beantwoord worden hoe je de twee van elkaar verwijderde klokken zo instelt dat ze gelijktijdig dezelfde tijd aangeven. En hiermee zijn we weer terug bij de oorspronkelijke vraag.

De onafhankelijkheid van de lichtsnelheid in vacu|m van de beweging van de bron en van het systeem waarin ze wordt gemeten is een van de meest nauwkeurig bepaalde experimentele feiten.
Vandaar dat de volgende methode om afstanden te bepalen en klokken op verschillende plaatsen op gelijk te zetten, de meest rationele en zelfs de enige redelijke methode is.

Station A zendt een lichtsignaal uit dat zodra het door station B is ontvangen teruggezonden wordt naar A. De helft van de tijd gemeten in A tussen het zenden en weer ontvangen van het lichtsignaal, vermenigvuldigd met de lichtsnelheid, definieren we als de afstand tussen A en B.

We zeggen dat de klokken in A en B goed staan als op het moment dat het signaal bij B aankomt de klok aldaar het gemiddelde aangeeft van de zend- en ontvangtijd gemeten in A. Gebruiken we deze methode in het geval van twee punten op een vast lichaam dan krijgen we het gewenste referentiesysteem en kunnen we vragen over gelijktijdigheid van - of tijdsintervallen tussen twee gebeurtenissen, beantwoorden.

Maar zullen waarnemers in andere systemen het met deze antwoorden eens zijn?
Laten we veronderstellen dat we twee referentiesystemen hebben opgezet op twee vaste lichamen die zich ten opzichte van elkaar in tegenovergestelde richting bewegen. Hoe vatten die twee elkaars uitspraken op? Er zijn twee waarnemers in systeem A resp. A1, A2 en twee in B resp. B1 en B2 en precies tussen A1 en A2, en tussen B1 en B2 bevindt zich een lichtbron. De afstand tussen A1 en A2 is gelijk aan die tussen B1 en B2. De waarnemers A1 en A2 kunnen nu volgens de boven beschreven methode hun klokken gelijk zetten in hun referentie systeem A en de waarnemers B1 en B2 in hun systeem B. In elk van de systemen is gelijktijdigheid vastgesteld.

Nu besluiten ze na te gaan of de klokken in de twee systemen gelijk staan. Stel dat systeem B met een bepaalde snelheid naar rechts langs systeem A beweegt en A naar links. Waarnemers A1 en B2 staan links en A2 en B1 rechts. In het midden van de beide systemen stellen ze twee geladen geleiders zo op dat er een vonk overspringt tussen de twee geleiders als de systemen elkaar passeren en op hetzelfde moment het lichtsignaal in beide systemen wordt uitgezonden. Op het moment dat het licht, dat zich met eindige snelheid voortplant, de waarnemers bereikt is hun relatieve positie veranderd. Waarnemers A2 en B2 zijn naar hun lichtbron toe bewogen en A1 en B1 er van af.

Als het licht A2 bereikt dan is B1 iets van de lichtbron af bewogen zodat het nog even duurt voor het licht hem bereikt. Dus als B1 zijn horloge op nul zet als het licht hem bereikt, zal A2 volhouden dat hij achter loopt.

Zo zal A1 volhouden dat het horloge van B2 voor loopt als B2 zijn horloge op nul heeft gezet toen het licht hem bereikte. Aangezien beide waarnemers in A volgens hun definitie van gelijktijdigheid van mening zijn dat zij de juiste tijd hebben, zullen zij volhouden dat er een verschil bestaat met de horloges van de waarnemers in B. Maar met dezelfde argumenten zullen de waarnemers in B volhouden dat hun horloges de juiste tijd aangeven en dat er een verschil bestaat met die in A.

Omdat beide systemen equivalent zijn, kan dit meningsverschil alleen opgelost worden door te zeggen dat beide partijen vanuit hun standpunt gelijk hebben, maar dat de vraag "wie er nu absoluut gelijk heeft" natuurkundig zinloos is.

Ik ben bang dat ik jullie erg vermoeid heb met deze lange redenering, maar als je deze goed doorneemt, dan wordt het duidelijk dat zodra je onze methode van ruimte-tijd meting overneemt,
het denkbeeld van absolute gelijktijdigheid verdwijnt
en dat
twee gebeurtenissen op verschillende plaatsen die als gelijktijdig worden beschouwd in het ene referentiesysteem, door een zeker tijdsinterval zijn gescheiden bezien vanuit een ander (t.o.v. het eerste bewegende) referentie systeem.

Deze stelling lijkt op het eerste gezicht vreemd, maar is het ook vreemd als we zeggen dat wanneer je dineert in een trein, je je soep en je dessert op dezelfde plaats in de restauratiewagen eet, maar op ver van elkaar gelegen punten van de spoorlijn? Deze uitspraak over het eten in de trein kan ook worden geformuleerd als
twee gebeurtenissen die op verschillende tijdstippen plaats vinden op dezelfde plaats in een referentiesysteem, worden gescheiden door een ruimteinterval gezien vanuit een ander referentiesysteem.

Als je deze 'triviale' stelling vergelijkt met de 'paradoxale' voorgaande stelling, zal je zien dat ze volstrekt symmetrisch zijn en dat de ene overgaat in de nadere door de woorden tijd en ruimte te verwisselen.

Dit is de kern van Einstein's visie: terwijl men in de klassieke natuurkunde tijd beschouwde als iets onafhankelijk van ruimte en beweging 'gelijkmatig verlopend onafhankelijk van enige externe invloed.' (Newton), zijn in de nieuwe natuurkunde ruimte en tijd nauw verbonden en stellen twee verschillende doorsnedes voor van een homogeen 'ruimte-tijd continuum' waarin alle waarneembare gebeurtenissen plaatsvinden. Het opsplitsen van dit vier-dimensionale continuum in een drie dimensionale ruimte en een een-dimensionale tijd is volledig willekeurig en afhankelijk van het systeem van waaruit de waarnemingen plaatsvinden.

Twee gebeurtenissen, die in het ene systeem gescheiden zijn door een ruimte-interval (afstand) l en een tijdsinterval t, zullen in een ander systeem gescheiden zijn door een andere afstand l' en een ander tijdsinterval t', zo, dat men in zekere zin kan spreken van een transformatie van ruimte in tijd en vice versa. Het is ook niet moeilijk in te zien waarom de transformatie van tijd in ruimte, zoals in het voorbeeld van het eten in de trein, redelijk goed te volgen is, terwijl de transformatie van ruimte in tijd, waaruit de relativiteit van gelijktijdigheid volgt, vreemd overkomt. Het punt hierbij is dat als we afstanden meten b.v. in centimeters, de bijbehorende tijdseenheid niet de gebruikelijke seconde hoort te zijn, maar een 'rationele tijdseenheid' behorende bij het tijdsinterval dat het licht nodig heeft om een afstand van een centimeter af te leggen d.w.z. 0,000.000.000.03 seconde.

Vandaar dat in onze dagelijkse ervaringswereld transformaties van ruimteintervallen in tijdsintervallen praktisch niet zijn waar te nemen. En dit ondersteunt de klassieke visie dat tijd iets is dat absoluut onafhankelijk en onveranderlijk is.

Kijken we echter naar bewegingen met zeer hoge snelheden, b.v. de beweging van electronen uitgestoten door radioactieve stoffen of de beweging van electronen in een atoom, waarbij de in een bepaald tijdsinterval afgelegde afstanden van dezelfde grootte orde zijn als de in rationele eenheden uitgedrukte tijd, dan komen we beide hierboven beschreven effecten tegen en wordt de relativiteitstheorie van groot belang. Zelfs op terreinen van relatief lage snelheden, zoals b.v de beweging van de planeten in ons zonnestelsel, kunnen we relativistische effecten waarnemen dankzij de extreme nauwkeurigheid van de astronomische metingen; dergelijke waarnemingen van relativistische effecten vereisen metingen van veranderingen in planeetbewegingen in de orde van fracties van boogseconden per jaar.

Zoals ik heb geprobeerd uit te leggen, leidt een kritsche beschouwing van de begrippen ruimte en tijd tot de concusie dat ruimte-intervallen gedeeltelijk zijn om te zetten in tijdsintervallen en omgekeerd. Dit betekent dat de numerieke waarde van een bepaalde afstand of tijdsperiode zal verschillen indien gemeten vanuit verschillende bewegende referentiesystemen.

Een betrekkelijk eenvoudige wiskundige analyse van dit probleem, waarop ik hier niet in wil gaan, leidt tot een duidelijke formule voor de verandering van de genoemde waarden. Ze geeft aan dat een object met lengte l, dat zich t.o.v. de waarnemer verplaatst met een snelheid v, krimpt met een factor afhankelijk van zijn snelheid en een waargenomen lengte heeft van:

l'=l*(1- v2/c2)1/2 ..........................(2)


Analoog hieraan, zal elk proces dat een tijd t duurt, vanuit het bewegende systeem een langere tijd t' duren, met:

t'=t/(1- v2/c2)1/2 ..........................(3)


Dit zijn de beroemde 'ruimtecontractie' en 'tijdsdilatatie' in de relativiteitstheorie.

Gewoonlijk, als v veel kleiner is dan c, zijn deze effecten erg klein, maar voor voldoende grote snelheden, kunnen lengtes waargenomen vanuit een bewegend systeem willekeurig klein worden gemaakt en tijdsintervallen willekeurig lang.

Ik wil niet dat je vergeet dat deze beide effecten absoluut symmetrische systemen zijn, en dat terwijl de passagiers in een snelrijdende trein zich zullen afvragen waarom de mensen in de stilstaande trein zo slank zijn en zo langzaam bewegen, de mensen in de stilstaande trein hetzelfde zullen denken over de mensen in de snel rijdende trein.

Een ander belangrijk gevolg van het bestaan van de maximaal mogelijke snelheid heeft betrekking op de massa van bewegende lichamen.
Volgens de algemene beginselen van de mechanica, bepaalt de massa van een lichaam de inspanning nodig om het in beweging te krijgen of de bestaande beweging te versnellen; hoe groter de massa hoe moeilijker het is om de snelheid met een bepaalde hoeveelheid de laten toenemen.

Het feit dat geen enekel lichaam hoe dan ook de lichtsnelheid kan overschrijden leidt ons direct tot de conclusie dat de weerstand tegen verdere versnelling of anders gezegd, de massa, onbegrensd moet toenemen als de snelheid in de buurt komt van de lichtsnelheid. Wiskundige analyse leidt tot een formule analoog aan de formules (2) en (3). Als m0 de massa is bij hele kleine snelheden, dan geldt voor de massa m bij een snelheid v:

m=m0/(1- v2/c2)1/2 ..........................(4)


en de weerstand tegen verdere versnelling nadert tot oneindig als v nadert tot c.

Dit effect van de relativistische verandering van massa kan men eenvoudig experimenteel waarnemen bij snel-bewegenede deeltjes. Zo is bijvoorbeeld de massa van electronen uitgestoten door radioactieve stoffen met snelheden van 99% van de lichtsnelheid vele malen hoger dan de massa in rusttoestand en is de massa van electronen in de z.g. kosmische stralen waarin ze vaak bewegen met 99.98% van de lichtsnelheid 1000 keer zo groot. Bij dergelijke snelheden is de klassieke mechanica absoluut niet meer toe te passen en komen we in het gebied van de pure relativiteitstheorie.

Naar hoofdstuk 3.