Waarom is tijd relatief?
Bewegen is iets anders dan stilstaan. Dat klinkt logisch. In 1905 publiceerde Einstein echter een nieuwe theorie, genaamd de speciale relativiteitstheorie. Hierin suggereerde hij dat in elk inertiaalstelsel de lichtsnelheid en natuurwetten hetzelfde zijn. Dit betekent dat het niet mogelijk is om vast te stellen of je beweegt of stilstaat. Stel je bijvoorbeeld voor dat je in een trein met geblindeerde ramen zit, die met een constante snelheid rijdt. Het is dan onmogelijk om te achterhalen of onderweg bent naar het buitenland of dat je nog steeds stilstaat op Amsterdam Centraal (met de normale NS-vertraging). Maar WRM betekent dit ook dat de klok in een rijdende trein anders loop dan die op een perron? Waar vinden deze rare fenomenen (die inmiddels al vaak bewezen zijn) hun oorsprong?
Speciaal en normaal
Einstein beschreef twee theorieën, de relativiteitstheorie en de speciale relativiteitstheorie. In tegenstelling tot wat je in eerste instantie zou denken, is de speciale de simpelere en meer inzichtelijke theorie. Maar wat is er dan zo speciaal aan? De theorie beschrijft alleen speciale omstandigheden, namelijk wanneer twee systemen zich met een constante snelheid ten opzichte van elkaar verplaatsen. Versnellingen en vertragingen worden hier niet bekeken, deze veroorzaken weer andere tegenintuïtieve situaties. Omdat dit geen eerstejaars vak natuurkunde is, houd ik het alleen bij de speciale theorie met een (hopelijk) inzichtelijk voorbeeld. Hiervoor heb ik twee hoofdrolspelers voor ons relatieve verhaal nodig. Bij deze stel ik aan jullie voor: Sara en Jack. Beide besturen hun eigen ruimteschip en hebben geen last van ingewikkelde invloeden, zoals versnellingen of zwaartekrachtsvelden van planeten.
Op en neer/heen en weer
Jack en Sara bewegen allebei met een constante (maar niet dezelfde) snelheid door de ruimte. Voor Sara lijkt het alsof zij stilstaat en Jack beweegt en voor Jack lijkt het of Sara beweegt en hij stilstaat. Dit ervaar je ook als je in een stilstaande trein zit en de trein naast je begint te rijden; je moet eerst even naar het perron kijken om te zien of jij beweegt of de trein naast je. Zonder het perron als referentiepunt is dit onmogelijk vast te stellen.
Nu schijnt Jack met een laser op een spiegel boven zich, zodat het licht erop kaatst en op een detector er recht onder valt. Op deze manier meet hij hoe lang het licht erover doet om de weg van het plafond naar de detector op de grond af te leggen. Nu is Sara nogal nieuwsgierig aangelegd en bespiedt ze door het raampje van haar ruimteschip de activiteiten van Jack. Omdat Jack ten opzichte van Sara beweegt zal Sara de laserstraal een (omgekeerd) V-vormig pad af zien leggen. Aangezien de snelheid van het licht constant moet zijn en het pad langer is, zal zij een langere tijd meten dan Jack. Dezelfde gebeurtenis (lichtstraal gaat omhoog, weerkaatst en wordt beneden gedetecteerd), duurt in het perspectief van Sara dus langer dan in het perspectief van Jack. Dit fenomeen heet tijddilatatie. Voor Sara lijkt de klok (en dus de tijd) in het ruimteschip van Jack langzamer te gaan, omdat er op Jacks klok minder tijd is verlopen tussen het moment dat de laser van de spiegel kaatste en op de detector terecht kwam dan op Sara’s klok.
Zo snel als het licht
Volgens tijddilatatie gaat de tijd in een bewegend ruimteschip dus langzamer. Dergelijke veranderingen in de tijd worden pas merkbaar als het ruimteschip reist met een snelheid die de lichtsnelheid nadert. Hoe sneller het voertuig gaat, hoe langzamer de tijd erin gaat. Als het mogelijk zou zijn om een ruimteschip met de snelheid van het licht door het heelal te sturen, dan zou de tijd erin stil staan. Als bestuurder van zo’n schip merk je hier niets van, omdat de tijd voor alles in het ruimteschip stilstaat, dus ook je gedachten verlopen niet langer. Het enige wat je zult merken is dat je ineens een paar sterrenstelsels verder bent.
Alles is relatief, behalve licht
Dus wat zegt de speciale relativiteitstheorie? Beweging is relatief, de lichtsnelheid is in elk perspectief hetzelfde en tijd vertraagt als je sneller beweegt. Dit betekent dat als je in de trein van Amsterdam naar Utrecht zit, het er voor iemand buiten de trein uitziet alsof de trein van Amsterdam naar Utrecht beweegt, maar voor jou, in de trein, lijkt het alsof Utrecht naar jou beweegt en Amsterdam van je vandaan. Dit is het relatieve aan de relativiteitstheorie: wat beweegt en wat stilstaat is een kwestie van hoe je iets ziet. Wat wel voor iedereen altijd hetzelfde is, is de lichtsnelheid. WRM is de lichtsnelheid dan een constante? Daar is geen bevredigend antwoord op, het is zo omdat het de wiskundige formules achter de theorie kloppend maakt en de voorspellingen die uit de theorie voortvloeiden tot nu toe altijd waar bleken te zijn. Wel heeft de constantheid van de lichtsnelheid verstrekkende gevolgen, voor het gebruik van GPS-systemen en zelfs tijdreizen! Maar dat is stof voor een volgend WRM-artikel. Al is het ook relatief wanneer dat verschijnt.
Afbeelding: wisdom-square.com
