Vad relativitet är
OM DU befann dig i en raket som färdades fram i någon avlägsen del av rymden, hur skulle du då kunna avgöra din hastighet och färdriktning?
På jorden skulle det inte vara något problem. Om en bil färdas hundra kilometer från en plats till en annan på en timme, har hastigheten varit hundra kilometer i timmen. Vi skulle till och med kunna mäta sträckan, om vi måste bevisa det. Vi har alltså någonting exakt att gå efter, marken vi har färdats över. Dessutom påverkar bilhjulens rotation en hastighetsmätare, som visar hastigheten i varje ögonblick.
När man flyger kan man se ned på marken och få en ungefärlig uppfattning om hastigheten, men flygplan har dessutom instrument som mäter hastigheten. De är baserade på lufttryckets inverkan och mäter kontinuerligt färdhastigheten genom luften. Och astronauter på väg till månen kan mäta sin hastighet i förhållande till jorden, eftersom de känner avståndet till månen och vet hur lång tid det tar för dem att komma dit. Så länge man har någon välkänd kropp i sikte kan man alltså mäta riktning och färdhastighet.
I den yttre rymden
Men hur blir det när man inte längre kan se jorden, månen, planeterna och solen? En hastighetsmätare från ett flygplan skulle inte vara till någon hjälp, eftersom det inte finns någon luft i yttre rymden!
Låt oss säga att du medan du befinner dig i din raket långt ute i rymden ser en ”rymdsten” passera förbi utanför fönstret. Betyder det att den färdas snabbare än du? Du kan snabbt vilja dra den slutsatsen. Men vänta ett ögonblick! Skulle det inte kunna vara så att du hade stannat och rymdstenen passerade dig? Eller kunde det vara den som hade stannat medan du i själva verket färdades bakåt? Eller färdades ni båda bakåt, varvid din hastighet var större än rymdstenens? Men hur skulle du kunna avgöra vad som är bakåt eller framåt i yttre rymden?
Du märker vilka komplikationer som uppstår när man försöker fastställa rörelse i rymden. Det måste finnas någon välkänd kropp som ett rörligt föremål kan stå i relation till. Följaktligen är all rörelse i rymden relativ, dvs. den är snabbare eller långsammare i förhållande till något annat föremåls rörelse, och den är framåtriktad eller bakåtriktad i förhållande till någonting annat. Detta är grundvalen till relativitetsteorin.
Den speciella relativitetsteorin
Albert Einstein var den förste som formulerade denna teori på ett sådant sätt att den kunde studeras genom matematiska beräkningar och experiment, och han gjorde det år 1905. Hans teori inbegrep huvudtankarna 1) att all rörelse är relativ, vilket betyder att ett föremåls hastighet och färdriktning endast kan mätas i förhållande till ett annat föremål, och 2) att ljusets hastighet i vakuum är en konstant, dvs. ljuset rör sig med omkring 300.000 kilometer i sekunden, och denna hastighet är oberoende av ljuskällans rörelse.
Låt oss illustrera dessa två punkter. Vi antar att du befinner dig i ett tåg som har hastigheten 80 kilometer i timmen och att du kastar en boll framåt längs mittgången med hastigheten 30 kilometer i timmen. Hur snabbt skulle bollen färdas? I förhållande till dig och passagerarna i vagnen färdas den med hastigheten 30 kilometer i timmen.
Men låt oss säga att en person står vid sidan av järnvägen och att han kan se när du kastar bollen. Hur snabbt skulle bollen färdas i förhållande till honom? Den skulle ha hastigheten 110 kilometer i timmen, eftersom den förutom sin egen hastighet också skulle ha tågets hastighet. Följaktligen är bollens hastighet relativ, den beror på vem som mäter den.
Men med ljuset är det helt annorlunda. Om du kunde ge tåget en hastighet av 150.000 kilometer i sekunden och sedan sände en ljusstråle ned längs mittgången, hur snabbt tror du att ljuset skulle färdas? Ja, eftersom du befinner dig i tåget, skulle du säga 300.000 kilometer i sekunden, eftersom det är ljusets hastighet. Men med vilken hastighet skulle det passera en åskådare vid spåret? Som i fallet med bollen du kastade, kan du också här vilja tänka att åskådaren på utsidan måste addera tågets hastighet (150.000 kilometer i sekunden i detta fall) till ljusets hastighet (300.000 kilometer i sekunden), så att den sammanlagda hastigheten blir 450.000 kilometer i sekunden.
Men detta resonemang gäller inte i fråga om ljuset! Det är ett förbluffande fenomen: Det spelar ingen roll hur snabbt ditt tåg färdas, du kan inte på något vis få ljusstrålen att gå fortare! Den skulle passera mannen vid spåret med hastigheten 300.000 kilometer i sekunden, eftersom ljusets hastighet inte påverkas av ljuskällans hastighet. Att ljushastigheten är den högsta möjliga hastigheten har vetenskapsmännen iakttagit i universum, även om det skulle kunna finnas högre hastigheter, som är okända för vetenskapen.
Dessa två uppfattningar, att all rörelse är relativ och att ljusets hastighet är oberoende av ljuskällans hastighet, är grundläggande för den teori som kallas den speciella relativitetsteorin.
Den speciella relativitetsteorin är naturligtvis mycket mera komplicerad än detta exempel kan antyda, eftersom den förklarar förhållandena mellan ljus, energi och materia. Teorin möjliggjorde de beräkningar som ledde fram till den berömda ekvationen E = mc2, som blev grundvalen till atombomben. Bombens explosion lämnade kvar föga tvivel angående den allmänna giltigheten av Einsteins speciella relativitetsteori.
Den allmänna relativitetsteorin
Men vad händer när hastighet och färdriktning ändras? Hur påverkas himlakroppars rörelser av andra kroppars gravitationsfält? Hur påverkas ljuset när det passerar en stjärna eller planet med starkt gravitationsfält?
År 1916 formulerade Einstein sin allmänna relativitetsteori. I den inbegrep han möjligheter till förändringar i hastighet och riktning, i synnerhet sådana som beror på gravitationens genomgripande inflytande.
När denna teori uttrycks på matematiskt språk, ser man hur fantastiskt komplicerad den är. Boken New Frontiers of Physics säger att det skulle krävas ”ett system med tio simultana differentialekvationer, och var och en av dem har en så fruktansvärd och underbar struktur att det skulle krävas ett mycket sammanträngt och ovanligt beteckningssätt för att återge dem på ett tillfredsställande sätt”. Om du finner att relativitetsteorin är ett svårt ämne, bör du inte bli förvånad! Det gör vetenskapsmännen också!
Med hjälp av sin teori kunde Einstein förutsäga en del andra intressanta saker, t. ex. den verkan gravitationen skulle ha på naturliga tidsprocesser.
Gravitationen gör att processer går långsammare
När vi talar om naturliga tidsprocesser, tänker vi i synnerhet på ”atomklockorna”, de rytmiskt vibrerande atomer, som sänder ut strålning i konstant, mätbar takt. Dessa ”atomklockor” är mycket exaktare än mekaniska klockor.
Den allmänna relativitetsteorin antar att alla naturliga tidsprocesser, t. ex. rytmisk strålning från atomer, skall försiggå långsammare, när de äger rum på en större, ”tyngre”, kropp. Så till exempel skulle en atom ge ifrån sig strålning i långsammare takt på solen än på jorden, eftersom solen har en större massa.
Det är visserligen svårt att skaffa fram observationer som bevisar ett sådant antagande, men uppmätta förändringar av takten i atomär strålning från himlakroppar med hög täthet har gett vissa antydningar om att Einsteins slutsatser i stort sett är korrekta. Sådana processer på en planet eller stjärna med större massa tycks vara långsammare än processerna på jorden, beroende på gravitationens kraftigare inverkan på dessa andra kroppar.
En annan intressant slutsats som härleddes ur teorin var att gravitationen skulle kröka eller böja en ljusstråle.
En ljusstråles krökning
Einstein räknade ut att en ljusstråle skulle böjas eller krökas av ett starkt gravitationsfält på i stort sett samma sätt som en materiepartikel påverkas av gravitationen.
För att skaffa fram experimentellt bevis för detta krävdes ett väldigt företag. Två engelska astronomiska expeditioner fotograferade från var sin punkt på jorden en utvald stjärnas position. Sedan tog man från samma platser andra fotografier av samma stjärna medan solen stod mellan stjärnan och jorden. Om ljusstrålen från stjärnan hade böjts när den passerade solen, borde det visa sig genom att stjärnans bild hade ändrat läge på fotografierna.
På grundval av sin teori beräknade Einstein avböjningen till 1,75 bågsekunder. De två astronomiska grupperna mätte förskjutningen på fotografierna. I det ena fallet blev den 1,98 bågsekunder. Den andra gruppens mätresultat blev 1,6 bågsekunder. Detta var anmärkningsvärt nära det beräknade värdet, tillräckligt nära för att det grundläggande antagandet skulle verifieras.
Eftersom gravitationen kunde påverka en ljusstråle, uppkom en intressant möjlighet. I boken Relativitetsteori för alla framhåller författaren J. Coleman: ”Det är intressant att spekulera över frågan hur stor massa en stjärna skulle behöva ha för att dess massa skulle hindra dess ljus från att över huvud taget tränga ut i rymden. Det kan visas att detta skulle inträffa hos en stjärna med samma radie som solen om dess massa vore ungefär 400.000 gånger större än solens. Om sådana stjärnor existerade, skulle vi aldrig kunna se dem även om de befann sig mycket nära och lyste mycket starkt!”
Den allmänna relativitetsteorin ger också andra intressanta möjligheter. Den har kastat ljus över olika fenomen som påverkar den värld vi lever i. Vetenskapsmännen fortsätter att använda teorins matematiska formler, men den saknar inte kritiker. Denna kritik har uppstått huvudsakligen som en följd av det förhållandet att formlerna utvecklades för att passa de fakta man funnit, i stället för att härledas ur grundläggande principer. Vilka ytterligare förbättringar som kommer att göras när det gäller att formulera universums lagar återstår att se.
Men hela tiden medan teorier prövas, bevisas, ändras eller förkastas fortsätter ett grundläggande faktum att träda i förgrunden. Det är universums storslagna harmoni. Einsteins egen kommentar var: ”Den moderna fysiken är enklare än den klassiska fysiken. ... Ju enklare vår bild av omvärlden är och ju fler fakta den omfattar, desto starkare inpräglar den i våra sinnen universums harmoni.”
Ja, på sin ålderdom formulerade Einstein sin enhetliga fältteori. Syftet med denna teori är att med en enkel uppsättning fysikaliska lagar uttrycka både det som äger rum inuti atomen och det som äger rum i yttre rymden. Den visar att universums grundläggande krafter inte är oberoende av varandra utan i verkligheten är oskiljbara. Universum och alla dess delar ses som en enhet. Angående den enhetliga fältteorin framhåller Lincoln Barnett i Einstein och universum: ”Så kommer en djup enkelhet i stället för naturens mångskiftande yta. ... Sålunda smälter människans olika uppfattningar om världen och alla hennes abstrakta begrepp om verkligheten samman till ett, och den stora enheten som ligger till grund för universum klarläggs.”
En sant vis och ödmjuk människa erkänner varifrån all denna storslagenhet och harmoni härstammar. Bakom detta måste finnas en formgivare och danare, eftersom ingenting organiserat kan uppstå av en händelse. Den forntida psalmisten erkände Skaparen, när han sade: ”Himlarna förtälja Guds ära.” Och aposteln Paulus gjorde det också, när han sade: ”Vart och ett hus bygges ju av någon, men Gud är den som har byggt allt.” — Ps. 19:2; Hebr. 3:4.