Albert Einstein och relativitetsteorin för nybörjare
År 2020 fyllde Einsteins relativitetsteori 115 år. Men även om de flesta känner till Albert Einstein blir många lite mer tvekande när de ska förklara själva teorin. Här är relativitetsteorin för nybörjare.
Vad är Einsteins relativitetsteori?
Einsteins relativitetsteori består egentligen av två delar. Den speciella relativitetsteorin från 1905 och den allmänna relativitetsteorin från 1915.
I mitten av 1800-talet upptäcktes naturfenomen som stred mot Newtons gravitationsteori, som fram till den tidpunkten hade varit fysikens grundsten. Många forskare arbetade på att förklara dessa diskrepanser, men det var Einstein som slog huvudet på spiken.
LÄS OCKSÅ: 8 uppfinningar du kan tacka Einstein för
Einsteins relativitetsteori visade sig ge lösningar på några av de fenomen som forskarna inte hade lyckats passa ihop med klassisk fysik. Relativitetsteorin förenade de tre grundläggande teorikomplexen: gravitationen, elektrodynamiken och termodynamiken.
Miraklets år 1905
Före det att Albert Einstein kom fram till sina slutsatser var han tvungen att göra upp med några tidigare allmänt accepterade antaganden i det vetenskapliga samfundet.
Det arbetet inleddes i början på 1900-talet och kulminerade 1905 — ett årtal som senare kallades för Einsteins mirakelår.
Vad är den speciella relativitetsteorin?
Albert Einsteins formel (E=mc2) utläses rent konkret att energi (E) är lika med massa (m) multiplicerat med ljusets hastighet (c) i kvadrat.
Kort sagt betyder det att energi och massa kan byta plats. Energi kan hållas kvar i ämnen med en massa, och den energin kan senare friges.
Den 21 november 1905 publicerades Albert Einsteins vetenskapliga rapport med den berömda ekvationen E = mc2.
Före den speciella relativitetsteorin visste man väl att "luft" kunde ombildas till massa och tvärtom. Det kunde till exempel observeras när ett material rostar och efterföljande väger mer än innan det rostat. Man kände också till energi i form av värme och eld. Men man såg inget samband mellan de två sfärerna.
Det hade dock börjat dyka upp märkliga fenomen. Bland annat hade paret Curie gjort försök som visade att vissa former av malm kunde sända ut partiklar timme efter timme i flera månader. Hur det kunde gå till var fortfarande ett mysterium.
Här kom Albert Einstein med en helt ny förklaring på: Ljus. Eller rättare sagt ljusets hastighet(c).
Ljusets hastighet förvirrade forskarna
Det kan vara svårt att förstå varför ljusets hastighet kan ha inflytande på bildandet av massa och/eller energi. Så låt oss titta närmare på ljusets egenskaper.
Innan Albert Einstein publicerade sina artiklar menade man inom vetenskapen att fenomen som ljus och ljud alltid rör sig med en hastighet som som kan ökas eller minskas beroende på var man befinner sig.
Man menade att om man rör sig i en bil med 50 km i timmen och lyser med en lykta så måste ljuset röra sig 50 km i timmen snabbare än om det skickats ut från en fast punkt.
Men i slutet av 1800-talet utförde fysikerna Albert Michelson och Edward Morley en rad försök som visade att även om man "jagar" ljus rör det sig varken snabbare eller långsammare.
Ljusets hastighet överträffar allt
Albert Einstein menade också att ljusets hastighet måste vara en konstant. Han utgick från en annans forskares teori om ljus, nämligen den skotske fysikern James Clerk Maxwell. Maxwell menade att en ljusstråle rör sig framåt genom att en liten smula elektricitet som vid sin rörelse framåt bildar ett magnetfält som följer med och bildar ny elektricitet. En slags hoppa bock.
Men Maxwell fick aldrig helt grepp om hur ljus kunde röra sig snabbare eller långsammare.
Albert Einstein introducerade en helt ny tanke. Nämligen att ljus alltid rör sig med samma hastighet. Helt oberoende av om det skickas ut från en punkt i rörelse eller ej.
Einstein föreslog dessutom att på grund av att elektriciteten alltid skjuts framåt av den magnetism som uppstår kommer det vara snabbare än alla som följer efter. Ljusvågor hoppar i väg med den ultimata fysiska hastigheten i universum.
Massa är stelnad energi
Och vad har ljusets hastighet då med massa och energi att göra? Föreställ dig en rymdfärja som närmar sig ljusets hastighet. Piloten fortsätter tillföra energi till motorerna, men energin kan inte användas till att överstiga ljusets hastighet. Och energin kan inte heller bara försvinna. I stället pressas den ihop till massa. Rymdfärjan blir helt enkelt större. E (energi) blir till m (massa).
Solen är ett omvänt exempel. Varje sekund försvinner tonvis av väte (massa) och ombildas till energi.
Varje ämne på jorden är alltså "stelnad" energi. Och kan energin frigöras har till och med en bit papper potential att överta energiförsörjningen i hela Sverige.
Men det är inte lätt att frigöra energi. De bränslen vi använder för att skaffa energi (till exempel bensin) frigör bara en bråkdel av den bundna energin.
Tiden är relativ
Albert Einsteins relativitetsteori visar att ljus har en konstant hastighet och i och med det påverkar det också vår förståelse av tid. Tid är nämligen relativ och att vi uppfattar tiden olika kallas för tidsdilatation.
Låt oss ta ett exempel på tidsdilatation:
Här är en illustration på exemplet för tidsdilatation inom den allmänna speciella relativitetsteorin. För astronauten på utsidan kommer laserstrålen att färdas längre sträcka eftersom rymdskeppet rör sig framåt.
Att ljus har en konstant hastighet påverkar också vår förståelse av tid. När två rymdfarkoster skickar ut en ljusglimt mot jorden rör sig ljuset med samma hastighet från båda rymdfarkosterna.
Men om den ena rymdfarkosten står stilla och det andra rör sig i samma riktning som ljuset kommer det vara skillnad på hur lång tid det tar att nå fram till jorden. Det beror på vilken rymdfarkost man befinner sig i. På rymdfarkosten som står stilla kommer tiden gå snabbar än ombord rymdfarkosten i rörelse.
Det kan vara svårt att acceptera, för vi är inte vana vid att röra oss i närheten av ljusets hastighet. De hastigheter vi rör oss med på jorden är så oändligt låga att vi inte upplever variationer i tid.
Men tiden är relativ till skillnad från ljusets hastighet som är konstant.
Här kan du se ett videoklipp som förklarar fenomenet med den relativa tiden:
Tvillingparadoxen
Den relativa tiden blir ofta illustrerad med tvillingpar där den ena reser till en stjärna flera ljusår bort, medan den andra bli på jorden.
Transporten går nära ljusets hastighet och som vi såg tidigare kommer tiden gå långsammare för den tvilling som befinner sig i rörelse än den tvilling som "står still" på jorden.
På grund av att tiden går långsammare för den resande tvillingen i förhållande till den tvilling som är kvar på jorden, kommer astronaut-tvillingen åldras långsammare. Faktiskt kommer vederbörande vara åtskilliga år yngre vid sin hemkomst än sin tvilling.
Det förklarar den amerikanska astrofysikern Neil deGrasse Tyson i detta videoklipp om relativitet och tvillingparadoxen:
Nästa steg: Den generella relativitetsteorin
De följande tio åren efter utgivningen av den speciella relativitetsteorin arbetade Einstein på att inkorporera gravitationen i sin teori. Resultatet blev en uppgörelse med den klassiska fysiken och förståelsen av gravitation.
Enligt Einstein kan tunga objekt förändra rumtidens geometri. I stället för att se gravitationen som ett resultat av att massa drar till sig massa - som Newton gjorde - föreslog Einstein att rummet kröker sig kring objekt av varierande tyngd.
En utmärkt bild på det är en kanonkula på en studsmatta.
Kanonkulan gör en fördjupning i studsmattans yta och om man placerar en golfboll i närheten skulle den rulla mot kanonkulan. I stället för att massa drar till sig massa följer alltså objekt bara rummets krökning.
Relativitetsteorin visar att tunga objekt förändrar rumtidens geometri likt en kanonkula på en studsmatta som drar till sig en golfboll.
I exemplet kommer en golfboll i hög hastighet cirkla runt kanonkulan för att till sist stöta ihop med den.
Och det är just det som händer med planeter omkring ett mycket tungt objekt, till exempel ett svart hål. Först kommer de lägga sig i omloppsbana och sedan "uppslukas" de.
Ljus eller tid som inte har någon massa kommer kröka sig runt objektet och fortsätta på den andra sidan - med mindre krökningen är så stor att ljuset lägger sig i omloppsbana och på det sättet inte kan komma ut på andra sidan (svart hål).
Ju större variation i gravitationen desto större krökning.
Vad används relativitetsteorin till?
Einsteins tankar revolutionerade fysiken. Men till vad används relativitetsteorin egentligen och hade det inte räckt med Newtons gravitationslag?
Newtons förklaring på gravitationen som något som uppstått av kroppar som dras till varandra var på ett sätt mycket enkel och tydlig.
Här på jorden rör vi oss alla med samma hastighet som jordklotet och solsystemet kretsar. Därför känns det som att vi står stilla. Den variation som vi upplever när en person står stilla och en annan kör bil är så liten att skillnaden i tid vanligtvis inte är något vi upptäcker.
När vi i stort sett har samma uppfattning av hastigheter och tid överallt på jorden är Newtons gravitationsteori tillräcklig för att förstå vår omgivning.
I rymden, där avstånden är stora och himlakropparna är tunga och rör sig i hög hastighet i relation till varandra, förhåller det sig annorlunda. Därför är Einsteins relativitetsteori viktig.
Einsteins allmänna relativitetsteori har fått enorm betydelse för hur vi uppfattar rymden och förstår universum. Teorin om stora smällen hade exempelvis aldrig uppkommit utan relativitetsteorin.
Utan relativitetsteorin skulle GPS-mottagare vara oanvändbara
Relativitetsteorin har även betydelse för mer vardagliga fenomen.
Ett exempel är gps-mottagare, som kan slå fast vår position på jorden med en exakthet ner till ett par meter. Gps-mottagaren får information från satelliter som befinner sig i fasta omloppsbanor runt jorden. Om man står på ett ställe på jorden letar gps-mottagaren efter satelliternas position vid den exakta tidpunkten.
Två saker gäller här. För det första rör sig satelliterna snabbare i förhållande till det vilotillstånd som vi uppfattar att vi befinner oss i på jorden. Så tiden på en satellit går sju mikrosekunder långsammare än på jorden.
Men gravitationsfältet har också betydelse. Satelliterna befinner sig 20 000 kilometer bort från jorden. Där är gravitationen fyra gånger lägre än på jordytan, och det betyder att tiden går 45 mikrosekunder snabbare. Justerar man de två siffrorna mot varandra går tiden alltså 38 mikrosekunder snabbare på en satellit.
Det låter inte mycket, men om man räknar om till avstånd kommer 38 mikrosekunders tidsskillnad betyda en inexakthet på nästan elva kilometer om dagen.
Om man inte kände till relativitetsteorin och kunde justera tidsskillnaderna skulle gps-systemet vara oanvändbart.
Relativitetsteorin är inte slutgiltigt bevisad
Albert Einsteins arbete var teoretiskt och han lade inte ner tid på att bevisa sina tankar med experiment. Men det var det andra som gjorde. 1919 utfördes försök som visade att Einstein hade rätt att ljus kröker sig till följd av gravitationen.
Andra delar av Einsteins teori har först bevisats runt millennieskiftet, bland annat i försökscentret CERN i Schweiz.
Trots det finns det i dag delelement i relativitetsteorin som inte har slutgiltigt bevisats. Ju fler experiment som utförs som stämmer överens med vad teorin förutsäger, desto starkare blir teorin.
100 år efter att Albert Einstein lanserade sin relativitetsteori är teorin (tillsammans med kvantfysiken) de bästa förklaringarna vi har på hur vårt universum hänger ihop.