Hvad relativitet er

HVORDAN ville De beregne fart og retning hvis De fløj med en raket gennem det ydre rum?

På jorden ville det ikke være noget problem. Hvis en bil kører halvfems kilometer fra et sted til et andet på en time, har den kørt med en fart af halvfems kilometer i timen. Det kan vi bevise fordi vi kan måle tiden og afstanden. Vi har noget bestemt at gå ud fra: den jordoverflade vi har kørt hen over. Bilens hjul kan drive et speedometer.

En flyvemaskinepilot kan holde øje med jorden nedenunder eller han kan måle hastigheden ved hjælp af en fartmåler. Dette instrument måler luftpresset, altså hvor hurtigt maskinen bevæger sig i forhold til luften. Og astronauter som rejser til månen kan beregne deres hastighed i forhold til jorden når de kender afstanden til månen og ved hvor lang tid turen tager. Så længe man har et kendt punkt at gå ud fra, kan man altså beregne sin hastighed og retning.

I det ydre rum

Men når man ikke kan se jorden, månen, planeterne og solen, hvad så? En flyvemaskines fartmåler vil ikke kunne bruges, for der er ingen luft i det ydre rum.

Lad os sige at De er langt ude i rummet i Deres raket og De gennem vinduet ser et meteor som overhaler Dem. Ville det betyde at meteoret fløj hurtigere end De? Ja, tænker De måske straks. Men vent engang! Det kunne jo oven i købet være at raketten stod helt stille. Eller at meteoret stod stille, mens De i virkeligheden bevægede Dem baglæns. Eller at både raketten og meteoret bevægede sig baglæns, således at raketten blot bevægede sig hurtigere baglæns end meteoret? Ja, hvordan kan man egentlig vide hvad der er frem og hvad der er tilbage i det ydre rum?

Som De ser er det en problematisk affære at skulle bestemme bevægelse i rummet. Man må have et eller andet kendt punkt som man kan sætte i forhold eller relation til den genstand der bevæger sig. Al bevægelse i rummet må være relativ, det vil sige hurtigere, langsommere, fremadgående eller tilbagegående i forhold eller relation til noget andet. Dette er grundlaget for relativitetsteorien.

Den specielle relativitetsteori

Albert Einstein var den første der, i 1905, formulerede denne teori på en måde så den kunne efterprøves ved hjælp af matematiske beregninger og eksperimenter. Hans teori indeholder to hovedideer: 1) At al bevægelse er relativ, hvilket betyder at en genstands hastighed og retning kun kan måles i forhold til en anden genstand, og 2) at lysets hastighed i et lufttomt rum er en absolut værdi, det vil sige at dets hastighed, cirka 300.000 kilometer i sekundet, ikke påvirkes af lyskildens bevægelse.

Lad os illustrere disse to punkter. Hvis De befinder Dem i et tog som kører 80 kilometer i timen og De kaster en bold fremad gennem vognen med en hastighed af 30 kilometer i timen, hvor hurtigt vil bolden da flyve? I forhold til Dem og de andre passagerer vil den bevæge sig 30 kilometer i timen.

Men lad os sige at der står en mand udenfor ved jernbanesporet og at han kan se bolden der bliver kastet. Hvor hurtigt bevæger den sig i forhold til ham? I alt 110 kilometer i timen, for vi må lægge togets hastighed til. Boldens fart er altså relativ, afhængig af hvem der iagttager den.

Men med lyset er det helt anderledes. Hvis togets fart bliver sat op til 150.000 kilometer i sekundet og De derpå sender en lysstråle fremad gennem vognen, hvor hurtigt tror De da at lyset vil bevæge sig? I forhold til passagererne vil De sikkert sige at lyset bevæger sig 300.000 kilometer i sekundet, nemlig med lysets hastighed. Men hvor hurtigt vil det passere iagttageren som står ude ved sporet? Ligesom i tilfældet med bolden mener De måske at vi også her må lægge togets hastighed (150.000 kilometer i sekundet) til lysets hastighed (300.000 kilometer i sekundet), så vi i alt får en hastighed på 450.000 kilometer i sekundet.

Men det holder ikke stik! Uanset hvor stærkt toget kører kan man forbavsende nok aldrig få lysstrålen til at bevæge sig hurtigere! Den vil passere iagttageren ved sporet med en fart af 300.000 kilometer i sekundet, for dens fart påvirkes ikke af lyskildens hastighed. Lysets hastighed repræsenterer den højeste hastighed videnskabsmændene har iagttaget i universet, skønt der naturligvis kan findes højere hastigheder som de ikke kender.

Disse to ideer, at al bevægelse er relativ og at lysets hastighed ikke påvirkes af lyskildens fart, ligger til grund for det der kaldes den specielle relativitetsteori.

Naturligvis er den specielle relativitetsteori langt mere indviklet end denne artikel kan forklare, idet den definerer forholdet mellem lys, energi og stof. Den har muliggjort de beregninger der førte til den berømte ligning E = mc² som var grundlaget for atombomben. Bombens eksplosion lod kun ringe tvivl tilbage om Einsteins specielle relativitetsteoris almene gyldighed.

Den almindelige relativitetsteori

Men hvad sker der når hastigheden og retningen ændres? Hvordan påvirkes himmellegemernes bevægelse af andre legemers tyngdefelter? Hvordan berøres lyset når det passerer en stjerne eller en planet som har et stærkt tyngdefelt?

I 1916 formulerede Einstein sin almindelige relativitetsteori. Denne teori omfatter også de tilfælde hvor hastighed og retning ændres, især når det skyldes tyngdefelternes umærkelige indflydelse.

Når denne teori udtrykkes med matematiske formler ser man hvor fantastisk kompliceret den er. Bogen New Frontiers of Physics siger at den vil kræve „et sæt på ti sammenhørende differentialligninger, hver af dem med en så frygtindgydende og imponerende struktur at der skal et højst sammentrængt og usædvanligt tegnsprog til for at gøre dem anvendelige“. Så hvis De synes relativitet er et svært emne, skal De ikke være ked af det! Det synes videnskabsmændene også!

På grundlag af sin teori kunne Einstein forudsige flere interessante ting, blandt andet hvilken virkning tyngdekraften ville have på naturlige tidsprocesser.

Tyngdekraften hæmmer processerne

Når vi taler om naturlige tidsprocesser mener vi især atom-„ure“ — de rytmiske, vibrerende atomer som udsender stråling der er konstant og kan måles. Disse atom-„ure“ går langt nøjagtigere end vore mekaniske ure.

Ifølge den almindelige relativitetsteori vil alle de naturlige tidsprocesser, som for eksempel atomernes rytmiske stråling, foregå langsommere på et større eller „tungere“ himmellegeme. For eksempel vil et atom udsende sin stråling langsommere på solen end her på jorden, fordi solen har større masse, større „vægt“.

Selv om det kan være svært at bevise en sådan antagelse, har målinger af forandringer i atomstrålingen fra tætte legemer til en vis grad vist at Einsteins konklusion i det store og hele er korrekt. Sådanne processer synes at foregå langsommere på en planet eller en stjerne med større masse eller „vægt“ end de gør på jorden, som følge af de pågældende himmellegemers større tyngdekraft.

En anden interessant konklusion af denne teori er at tyngdekraften kan tiltrække eller afbøje en lysstråle.

En lysstråle afbøjes

Einstein regnede ud at en lysstråle ville blive afbøjet af et stærkt tyngdefelt, på noget nær samme måde som en partikel påvirkes af tyngdekraften.

For at efterprøve dette måtte man foretage et større eksperiment. To hold engelske astronomer fotograferede en bestemt stjerne fra hver sit sted på jorden. Fra de samme to steder fotograferede de derpå den samme stjerne igen da solen under en solformørkelse kom ind mellem stjernen og jorden. Hvis lyset fra stjernen var blevet afbøjet da det passerede solen skulle det kunne ses ved at stjernen havde en anden position på de sidste fotografier.

Matematisk regnede Einstein ud at afbøjningen skulle være 1,75 buesekunder ifølge hans teori. De to hold astronomer målte positionsændringen på billederne. Det ene hold fandt frem til en afbøjning på 1,98 buesekunder. Den anden gruppes resultat var 1,6 buesekunder. Det var forbavsende tæt på forudsigelsen, tæt nok til at bekræfte Einsteins grundlæggende antagelse.

At tyngdekraften kunne afbøje en lysstråle indebar en interessant mulighed. I Relativity for the Layman skriver forfatteren J. Coleman: „Det er interessant at spekulere over hvor massiv en stjerne skal være for at dens tyngdekraft er stærk nok til at hindre alle stjernens lysstråler i at forlade den. Man kan påvise at det ville være tilfældet for en stjerne med samme radius som solen hvis dens masse var omtrent 400.000 gange solens masse. Hvis sådanne stjerner eksisterede ville vi aldrig kunne se dem, uanset hvor nær de kom og uanset hvor klart de skinnede!“

Den almindelige relativitetsteori har også åbnet andre interessante muligheder. Den har kastet lys over forskellige fænomener som berører verden omkring os. Men selv om videnskabsmændene fortsat bruger teoriens matematiske formler, er den ikke uden kritikere. Kritikken skyldes hovedsagelig det forhold at formlerne blev udarbejdet på grundlag af de iagttagelser man gjorde, i stedet for at blive udledt fra grundlæggende principper. Måske vil man senere kunne udtrykke universets love endnu nøjagtigere.

Alt imens teorierne prøves, bevises, ændres eller forkastes, træder en grundlæggende kendsgerning imidlertid stærkt frem. Det er den storslåede harmoni der findes i universet. Einstein sagde selv: „Den moderne fysik er simplere end den gamle fysik. . . . Jo simplere vort billede af den ydre verden er og jo flere kendsgerninger det omfatter, jo stærkere indtryk giver det os af universets harmoni.“

I sine sidste leveår formulerede Einstein sin samlede feltteori. Denne teori blev udtrykt ved hjælp af et enkelt sæt fysiske love som skulle omfatte alt hvad der finder sted i såvel et atom som det ydre rum. Den siger at de grundlæggende kræfter i universet ikke er uafhængige af hinanden, men i virkeligheden uadskillelige. Universet og alle dets enkelte dele bliver betragtet som en enhed. Om denne samlede feltteori siger Lincoln Barnett i The Universe and Dr. Einstein: „En dyb enkelhed erstatter altså den ydre komplicitet i naturen. . . . Alle menneskets verdensbilleder og alle dets abstrakte opfattelser af det virkelige forenes således til sidst til ét billede, og den dybe grundlæggende enhed i universet blotlægges.“

Den der virkelig er viis og ydmyg forstår hvor hele denne storhed og harmoni kommer fra. Der må være en Skaber som har udtænkt det alt sammen, for noget organiseret opstår ikke ved et tilfælde. Fortidens salmist omtalte denne Skaber da han sagde: „Himlen forkynder Guds ære.“ Og det samme gjorde Paulus da han erklærede: „Hvert hus bygges jo af en eller anden, men den, der har bygget alt, er Gud.“ — Sl. 19:2; Hebr. 3:4.