@Cock: ik lees overal dat er een inherente tegenspraak is tussen de kwantumfysica en de relativiteitstheorie.
Tussen de kwantumfysica en de algemene relativiteit, niet de speciale relativiteit. Inderdaad is een van de grote onopgeloste problemen de onzinnige resultaten die men krijgt als men de formules van de algemene relativiteit toepast in het domein van de kwantumfysica. Meer in het bijzonder het probleem van de kwantumzwaartekracht. De snaartheorie en de loop-kwantumzwaartekracht zijn twee wegen die bewandeld worden in een poging beide te verenigen. Maar het onderwerp betrof de srt en die kent dit probleem niet.
De massa van de aarde versnelt de appel naar zich toe, omdat ze de sterkste kracht is.
Je pakt de handschoen op, fijn. Hier -zonder enige formule- wat verduidelijking waar je misschien wat aan hebt:
In huis-tuin-en-keukentaal:
De Maan draait om de Aarde
De appel valt naar de Aarde
De zwaartekracht van de Aarde trekt de appel naar zich toe
Dit lijkt allemaal wel correct en zeer bruikbaar, maar alle drie de uitspraken zijn voor iemand met wat kennis van de klassieke mechanica foutief:
Klassieke mechanica:
De Maan draait niet om de Aarde.
[sharedmedia=core:attachments:13981]
Hier zie je twee even zware hemellichamen om elkaar heen draaien. Wie draait er nu om wie? Het is duidelijk dat ze niet zozeer rond elkaar, maar rond hun gemeenschappelijke massacentrum draaien. Als je aan weerszijden van een stokje twee even zware appels prikt dan zal de balans precies in het midden liggen, dat is dat gemeenschappelijke massacentrum.
[sharedmedia=core:attachments:13982]
Is een massa aanmerkelijk groter dan de andere, dan zal dat massacentrum zich naar de grote massa verplaatsen. Te vergelijken met een stokje met aan de ene uiteinde een doperwt en aan de andere kant een appel, het massacentrum zal dicht bij de appel liggen. Nog steeds draaien beide lichamen rond dat centrum. Natuurlijk is de massa van de Zon zoveel groter dan die van de Aarde en dus ligt dat centrum veel dichter bij de Zon, in de Zon zelfs, maar dat doet aan het principe niets af. De Maan en de Aarde draaien rond een gemeenschappelijk punt.
De appel valt niet naar de Aarde:
Als we beide even zware hemellichamen zouden stoppen in hun rotatie, dan vallen ze naar elkaar toe. Ze zullen met elkaar trachten te botsen in het massacentrum, ook dat is bij even zware objecten eenvoudig in te zien. Natuurlijk zal hun oppervlak tijdens hun weg naar dat centrum de spelbreker zijn, maar voor puntvormige massa's klopt het helemaal. Ook de appel en de Aarde zullen naar hun gemeenschappelijke massacentrum trachten te vallen. Omdat de Aarde zo veel zwaarder is, is die verplaatsing gewoon onmeetbaar klein (het gemeenschappelijke massacentrum ligt misschien een paar Plancklengtes van het middelpunt van de Aarde af) maar dat doet aan het principe niets af. De Aarde en de appel vallen naar elkaar en dat doen ze in dezelfde tijd. Als de appel met een flinke snelheid richting massazwaartepunt valt (want de weg naar het massacentrum is groot), valt de aarde met een onmeetbaar kleine snelheid richting appel (want de weg naar het massacentrum is bijna nihil).
De zwaartekracht van de Aarde trekt de appel naar zich toe is de helft van het verhaal:
- gravittie 645 keer bekeken
Het bovenste plaatje is weer overzichtelijk; beide massa's zijn even groot, en ze zullen elkaar met een gelijke kracht F aantrekken. Maar uit het middelste plaatje wordt ook duidelijk dat het object links aan drie objecten rechts trekt, terwijl die met zijn drieën slechts aan een object trekken. Dat doen ze allemaal met dezelfde kracht F als in het bovenste plaatje. Het onderste plaatje is het resultaat, beide massa's trekken even sterk aan elkaar, en wel met 3F in dit voorbeeldje. De appel en de Aarde trekken elkaar met exact dezelfde kracht naar zich toe. Ook hier is de massa van de Aarde zo overheersend dat je in dit geval prima uit de voeten kunt met de huis-tuin-en-keuken uitspraak, maar die klopt dus niet. De appel en de Aarde trekken even hard aan elkaar.
Relativiteit:
De klassieke mechanica is heel logisch, en een paar van de formules die bovenstaande wetten beschrijven zijn in vorige antwoorden al gegeven. Wat meer een appèl aan het voorstellingsvermogen doet de algemene relativiteitstheorie (art), terwijl de bijbehorende wiskunde van specialistisch universitair niveau is, ik waag mij daar niet aan. Maar beelden en beschrijvingen zonder formules kunnen ook wat inzicht geven:
Je hebt vast wel eens het voorbeeld gezien van een rubberen vel met daarop een zware bal en knikkers die dan rond die bal roteren, ongeveer als in dit plaatje:
- gravitatieput 645 keer bekeken
Einstein kwam tot het inzicht dat de zwaartekracht totaal anders werkte dan in de klassieke mechanica werd beschreven. Hoewel de wetten van Newton perfect lijken, zijn ze dat ver achter de komma niet. Einstein ging uit van een vierde dimensie, de ruimtetijd. Massa's krommen de ruimtetijd, en de kromming van de ruimtetijd veroorzaakt zwaartekracht. Of zoals Wheeler het uitdrukt: "Spacetime tells matter how to move and matter tells spacetime how to curve."
In het plaatje zie je een analogie, want helaas kan niemand een vierdimensionaal plaatje tekenen. De planeet draait nu rond de ster als het balletje in een roulette. Maar in tegenstelling tot dat balletje (dat wrijving ondervindt) zal de planeet haar ellipsvormige baan miljarden jaren blijven volgen omdat er (vrijwel) niets is dat haar afremt. Overigens is hier onmiddellijk ook duidelijk waarom ellipsvormige banen zoals in het plaatje zoveel voorkomen. De planeet moet wel heel erg precies 'uitgelijnd' worden wil hij een perfecte cirkelbaan kunnen beschrijven. De planeet volgt zogezegd de kortste weg in kromming van de ruimtetijd, en zal dat blijven doen totdat er een externe kracht op haar wordt uitgeoefend. De ideale baan, die kortste weg, heet een ruimtetijd geodeet. Alles wat zo'n geodeet volgt ervaart geen externe kracht, en andersom, als er een externe kracht wordt uitgeoefend wordt er dus afgeweken van de geodeet. Dat afwijken kan je voelen. Een astronaut in een baan om de Aarde ervaart 'gewichtloosheid', voelt geen externe kracht, volgt die geodeet. Pas als de raket versnelt (vertraagt) is die ervaring van gewichtloosheid verdwenen, wordt er afgeweken van de lokale kromming van de ruimtetijd en ervaart men de externe kracht als 'gewicht'. Merk op, dat 'gewichtloosheid' (geen externe krachten ervaren) iets totaal anders is dan geen massa hebben.
Alles dat in vrije val is (er werken dus geen externe krachten op in) volgt zo'n geodeet. Als de arme astronaut naar de Aarde stort is hij in vrije val, ervaart 'gewichtloosheid', en volgt dus de geodeet. We veronachtzamen hier even de invloed van de atmosfeer, en helaas komt hij dus uiteindelijk het oppervlak van de Aarde tegen. Dat oppervlak verhindert zijn vrije val, verhindert dat hij die geodeet kan blijven volgen. Dus is het voorbij met zijn ervaring van gewichtloosheid. Wat wij als ons 'gewicht' ervaren is in feite de (elektromagnetische) kracht die het aardoppervlak op ons uitoefent, dat is de kracht (de normaalkracht) die voorkomt dat wij onze weg in de gravitatieput, gemaakt door de massa van de Aarde in de ruimtetijd, kunnen vervolgen.
Zwaartekracht ontstaat dus doordat het oppervlak van de Aarde ons continue van een baan volgens de lokale ruimtetijdgeodeet afhoudt. Anders gezegd: De Aarde
versnelt ons continue met ongeveer 10 meter per seconde per seconde (m/s
2), en
daarom voelen wij die zwaartekracht, ons gewicht. Hier blijkt het zogenaamde equivalentieprincipe, een kernbegrip van de art uit: Versnelling en zwaartekracht (trage massa en zware massa) zijn hetzelfde. Het maakt geen snars uit of de Aarde je met 10 m/s
2 van de geodeet vandaan houdt, of dat een met 10 m/s
2 versnellende raket dat doet.
Het is echt even wennen aan het volgende beeld: iemand die met steeds grotere snelheid naar de Aarde valt versnelt
niet (want volgt de geodeet, is in vrije val en dus gewichtloos), en iemand die stil op de Aarde staat versnelt
wel (want ervaart de externe kracht die hem van de geodeet af houdt als gewicht). Dat is nog eens een ander beeld dan het klassieke- van twee lichamen die aan elkaar trekken!
En als je het tot veel cijfers achter de komma uit gaat rekenen en gaat meten, blijkt het precies zo te zijn als Einstein in zijn art beschrijft. Zo-ook met de precessie van Mercurius. Als je de klassieke wetten van de mechanica toepast (dat zijn in dit geval tamelijk complexe berekeningen), dan blijkt dat de baan van Mercurius onder invloed van de gravitatie van andere planeten langzaam af moet wijken. De lange as van de ellips roteert, dat heet precessie:
- Precessie 646 keer bekeken
Al medio 1850 was bekend dat de werkelijke precessie afwijkt van de volgens de klassieke mechanica berekende-. Het is niet veel, maar 160 jaar geleden al meetbaar. Einstein toonde 50 jaar later aan dat zijn algemene relativiteit exact de juiste precessie voorspelde. Menigeen was echter nog niet overtuigd.
Alles waar geen externe kracht op werkt, zal de kromming van de ruimtetijd volgen, of het nu massa heeft of niet. Dus moet ook licht de bochten in de gravitatieput rond de Zon volgen (er werkt immers geen externe kracht op). Omdat het licht afgebogen wordt, staan sterren in de buurt van de zon tijdelijk niet meer precies daar waar je ze zou verwachten.
Dat is andere koek dan het klassieke beeld! Licht heeft immers geen rustmassa, en zou dus volgens de klassieke mechanica niet afgebogen kunnen worden want daarin trekken alleen massa's elkaar aan.
Einstein voorspelde dat de positie van een bepaalde ster dicht bij de rand van de Zon tijdens de Zonsverduistering van 1919 tijdelijk nét een beetje verschoven moest zijn, en hij gaf tevoren exact op hoeveel die afwijking was. (*1)
Toen het totaaleffect in de praktijk precies zo gemeten werd waren de sceptici om, en Einstein op slag wereldberoemd.
En dat laatste is logisch want zeker toen waren er heel veel mensen die van zo'n eigenzinnige en contra-intuïtieve werking van de natuur niet veel moesten hebben. De duizenden experimenten door horden zeer kritische wetenschappers die er álles voor over hadden Einstein's ongelijk te bewijzen (eindelijk zelf beroemd worden..) kunnen tot op heden de relativiteit niet falsificeren en telkens weer zijn de waarnemingen tot ver achter de komma in overeenstemming met de relativiteit en niet met de newtoniaanse klassieke mechanica.
(*1) Overigens spelen hier aspecten van zowel de speciale- als de algemene relativiteit een rol. Volgens e=mc
2 heeft een foton wel een relativistische massa (de energie-inhoud), en dus kan een foton ook klassiek van baan veranderen door zwaartekracht. Wordt alleen dit effect conform de srt berekend, dan kloppen de uitkomsten niet, die zijn de helft van de waargenomen afwijking. Maar ook de kromming van de ruimtetijd moet volgens de art meegenomen worden waardoor de feitelijke afbuiging exact verdubbelt.