Kwantummechanica

Newton zei al dat je als je compleet afgesloten was van de buitenwereld, bijvoorbeeld in een auto zonder ramen en je beweegt met constante snelheid in een rechte lijn (eenparig genoemd), dat er dan geen enkele manier is om na te gaan of je beweegt of stilstaat.

Einstein ging hierop verder, hij zei dat het zelfs met een optische proef, met behulp van magnetische straling niet mogelijk was om na te gaan of je in beweging bent of stil staat

Pas als we naar buiten kijken en het landschap aan ons voorbij zien trekken weten we dat we in beweging zijn, maar zelfs dat is niet helemaal waar, het zou ook zo kunnen zijn dat het landschap in beweging is en wij stil staan.
Welkom in de wereld van de relativiteit.

We hebben al gezien dat een lichtstraal, of je nu naar het licht toe reist of er vanaf even snel bij je zal zijn, het is dus absoluut, een contante. In de klassieke natuurkunde die van Newton bijvoorbeeld werd lichtsnelheid als relatief gezien.

 
Experiment 1

Stel je rijd op je scootmobiel langs een spoorbaan, met een snelheid van 6 km/h, er komt een trein jouw richting uit rijden, met een snelheid van 90 km/h. Voor de waarnemer op de scootmobiel die enkel zijwaarts naar de trein kijkt lijkt het alsof hij met een snelheid van 
90 – 6 = 84 km/h achteruit rijdt.

Dat is wat hij waarneemt, maar snelheid is slechts relatief.  Zie filmpje 1.

Einstein`s eerste postulaat:

• Het is onmogelijk te zeggen of een voorwerp stil staat, dan wel in een eenparige beweging is ten opzicht van de ether.

 

Experiment 2
Stel je voor dat ver weg in de ruimte, ver weg van invloeden van sterren en planeten, en dus zonder de invloed van zwaartekracht, een grote leegte dus.
Er zijn daar twee ruimtestations, die vrij kunnen bewegen, ze bewegen op de gang van de ruimte, dus geen versnelling of rotatie.

Er kunnen zich drie situaties voor doen ( we hebben het voor het gemak even over schip A en B)

2. Schip A staat stil en B beweegt
3. Schip B staat stil en A beweegt
4. Beide schepen bewegen.

Het is niet na te gaan welke van de stellingen juist is, ook niet met behulp van elektromagnetische straling. Je kunt een van de schepen als uitgangspunt nemen, of om te kijken of beide schepen bewegen een punt in de ruimte als uitgangspunt nemen, hoe dan ook je wordt niets wijzer, de bewegingen als die er al zijn ,zijn relatief en niet absoluut.

Einstein`s tweede postulaat:

• Licht gaat altijd  met een constante snelheid door een lege ruimte ongeacht de bron.

 

Experiment 3

We zijn weer bij de spoorlijn aanbeland, de waarnemer staat midden tussen twee punten op de lijn, punt A aan de ene kant en punt B aan de andere kant.
Het onweert en de bliksem slaat in op punt A en B. De waarnemer staat in het midden, de lichtsnelheid is constant dus zal deze op beide punten tegelijk inslaan, neemt de waarnemer aan. Is dit juist?

Nu rijd er een trein op het spoor en deze rijdt op het moment van de inslag precies op de plek waar de waarnemer hierboven beschreven stond, in het midden tussen A en B dus. De waarnemer in de trein zal de inslag in B het eerste waarnemen want daar rijdt hij naartoe, maar hij weet, ik ben in beweging dus kost het wat langer om de flits in punt A te zien, waarschijnlijk zal hij correct concluderen dat de bliksem op beide plekken tegelijk inslaat.

We zijn er nog niet helemaal, stel nu dat we zoals eerder gezien bij een eenparige beweging, we niet kunnen zeggen of de trein beweegt of de omgeving om ons heen.
We gaan er nu vanuit dat de rails achteruit beweegt (puur hypothetisch) De waarnemer in de trein neemt weer waar dat de bliksem in B het eerst inslaat, en aangezien de trein niet in beweging is moet hij aannemen dat dit ook daadwerkelijk daar waarheid is.
De waarnemer die buiten de trein op het perron staat moet het ermee eens zijn al is zijn waarneming anders.

 

Gelijktijdigheid

Wat dit experiment wederom bewijst is dat het onmogelijk is de snelheid van het licht op een absolute wijze aan te duiden.
Wat we hier nieuw tegenkomen is het begrip gelijktijdigheid. In het geval van de blikseminslag hangt de gelijktijdigheid af van je uitgangspunt.
Gelijktijdigheid wordt in het dagelijks leven nogal makkelijk gebruikt, maar in dit voorbeeld zag je dat gelijktijdigheid wel eens relatief zou kunnen zijn, en wat betekent dit voor ons leven?

Stel nu dat een goederentrein op een passagierstrein botst, in dat geval kun je absoluut zeggen dat er spraken was van gelijktijdigheid.

Gelijktijdigheid blijkt dus een moeilijk begrip, als je het over het hele universum uitstrekt, dan is daar geen absolute tijd, waarmee je gelijktijdigheid kunt meten.

Gelijktijdigheid op enorme afstand is een zinloos begrip.

Tijdreizen, ruimte reizen

Gedachten experiment 4

Stel er zit een kosmonaut op een planeet 30 lichtjaren van onze aarde verwijdert en deze zend ons een bericht, door middel van elektromagnetische golven.

Dit bericht zal er 30 jaar over doen ons te bereiken, stel nu dat de ontvanger van dit bericht, tien jaar na het versturen van het bericht van deze verre bestemming een dochtertje krijgt. De speciale theorie zegt hierover dat je niet kunt vaststellen dat hij het dochtertje kreeg voor of nadat het bericht verzonden was, reden hiervoor is dat de kosmonaut en met een snelheid richting aarde beweegt, die van de planeet zijn bericht verstuurde en op de klok keek op dat moment, zal ervan uit gaan dat het dochtertje na het verzenden van het bericht is geboren.

Maar stel nu dat de kosmonaut in een supersonische raket die reikt aan de snelheid van het licht en daarmee naar de aarde reist, dan zou deze beweren dat het dochtertje is geboren voordat het bericht verstuurd werd. Deze snelle kosmonaut zou 30 jaar over de reis terug naar aarde doen, maar door de snelheid van het ruimteschip en de daardoor vertragende tijd, lijkt de reis voor hem slecht enkele maanden te duren.

Reist een kosmonaut met de snelheid van het licht, dan blijft zijn klok stil staan, helaas is dat nog niet mogelijk, maar er is wel veel over geschreven, en gefantaseerd, het reizen door de tijd.

Even terug naar de eerder gedachten, het bericht dat 30 lichtjaren geleden werd verstuurd zou bij reizen met de snelheid van het licht, de klok staat nog steeds gelijk, aankomen op het moment van verzenden.Wat is waar, de waarneming van de langzaam terugreizende kosmonaut of die van de met de snelheid van het licht terugreizende kosmonaut.

Beide zijn waar, er is geen absolute gelijktijdigheid. Er is geen universele kosmische tijd, dat was een keerpunt, met dank aan Einstein.

 

Exacte gelijktijdigheid
Exacte gelijktijdigheid is wel van belang voor bijvoorbeeld het meten van de lengte van een rijdende trein. Je moet op tijdstip 0 de voor en achterkant meten om te kunnen berekenen wat de lengte is
Anders wordt de berekening afhankelijk van het uitgangspunt, dus relatief.