Wat is de relativiteitstheorie?
Er is geen "relativiteitstheorie" - slechts twee theorieën die beide af en toe onder dezelfde aanduiding vallen - de speciale relativiteitstheorie en de algemene relativiteitstheorie. Beide werden bedacht door de beroemde natuurkundige Albert Einstein tussen 1905 en 1915. Beide theorieën waren een opstopper voor de klassieke mechanica van Newton, die al eeuwen daarvoor bestond.
De speciale relativiteitstheorie is een theorie van de structuur van ruimtetijd, die beweert dat 1) de natuurwetten hetzelfde zijn voor alle waarnemers in uniforme beweging ten opzichte van elkaar en 2) de snelheid van het licht in een vacuüm hetzelfde is voor alle waarnemers, ongeacht hun beweging of de beweging van de lichtbron. Dit leidt tot bizarre gevolgen. Stel je bijvoorbeeld voor dat je op een trein rijdt van 100 km / u naast een andere trein die in dezelfde richting rijdt met 100 km / u. Vanuit jouw perspectief ziet de trein naast je er bijna stil uit. Maar stel je voor dat je in een trein rijdt met de snelheid van het licht, terwijl je naast een lichtstraal bent. In plaats van dat de lichtstraal eruit ziet alsof hij stil blijft, beweegt hij met de snelheid van het licht voor je uit. Licht is op die manier vreemd.
Verschillende van de consequenties die voortvloeien uit de speciale relativiteitstheorie zijn 1) tijdsdilatatie (klokken die zich in de buurt van de snelheid van het licht bewegen langzamer dan stationaire klokken), 2) lengtecontractie (objecten die zich in de buurt van de lichtsnelheid bewegen lijken te zijn samengetrokken de bewegingsrichting), 3) relativiteit van gelijktijdigheid (dingen die tegelijkertijd lijken te gebeuren met stationaire waarnemer A kunnen op verschillende tijdstippen gebeuren met bewegende waarnemer B), 4) gelijkwaardigheid tussen massa en energie (massa en energie zijn in wezen hetzelfde en in elkaar overdraagbaar).
De algemene relativiteitstheorie, die een paar jaar na de speciale relativiteitstheorie werd bedacht, is een theorie over hoe zwaartekracht werkt. Het was aanvankelijk gebaseerd op het gelijkwaardigheidsprincipe, het idee dat versnelling en stilstaan in een zwaartekrachtsveld van een gegeven sterkte fysiek identiek zijn. Omdat er geen speciale kracht nodig is om traagheidseffecten in een versnellend object te creëren, stelde Einstein voor om op dezelfde manier te denken over zwaartekracht, waarbij we de klassieke notie van zwaartekracht negeren en in plaats daarvan zwaartekracht als krommen in ruimtetijd beschouwen. Dit verklaart fenomenen zoals waarom licht buigt in aanwezigheid van een zwaartekrachtsveld, hoewel het geen massa heeft.
De algemene relativiteitstheorie geeft verklaringen en doet voorspellingen die belachelijk leken in het wereldbeeld van de klassieke mechanica. Afgezien van licht dat buigt in aanwezigheid van een zwaartekrachtsveld, voorspelt het dat de tijd langzamer gaat in aanwezigheid van een zwaartekrachtveld, planetaire banen voorafgaan (verandering) als gevolg van koppel uitgeoefend door het zwaartekrachtveld van de zon, frame-dragging optreedt, waardoor massieve roterende lichamen "slepen" het traagheidsframe van de omringende ruimtetijd ermee rond, en dat het universum zich uitbreidt, in sommige gevallen sneller dan de snelheid van het licht, omdat het de ruimte zelf is die uitbreidt, geen objecten erin.
Het ontrafelen van de implicaties van deze theorieën duurde decennia en is nog steeds aan de gang. De theorieën van Einstein waren zo vooruitstrevend dat het tientallen jaren duurde om ze met grote precisie te testen en te bevestigen. Achteraf bekeken waren de ideeën van Einstein bijna volledig gevalideerd.