Hvad er tid og rum?

For hundrede år siden præsenterede Albert Einstein sin relativitetsteori. Den har ført til flere teorier om universets opståen. Men hvordan kan vi forstå relativitetsteorien, og hvad betyder den for vores dagligdag?

Den berømte fysiker Albert Einstein revolutionerede fysik med sine opdagelser i starten af det 20. århundrede. Flere af hans opdagelser er imidlertid ikke bare interessante for fysikere, men også for almindelige menneskers verdensopfattelse.

Tvillingeparadokset

Albert og Børge fødes som tvillinger på Jorden i en fjern fremtid. Albert bliver astronaut og tager i en alder af 20 år på sit livs rumrejse rundt i Mælkevejen. Børge bliver bager med begge ben på Jorden. Når Albert kommer hjem fra sin rejse, kan de sammen fejre rund fødselsdag.
Albert fejrer, at hans biologiske alder er nået 30 år, mens Børge har fået grå strejf i skægget, og hans biologiske alder er nået 40 år. Det lyder som science fiction, men faktisk er det i teorien fuldt ud muligt. Einsteins relativitetsteori indfører en helt ny forståelse af begreberne tid og rum. For at forstå den, spiller lys en stor rolle.

Lysets historie

I starten af det 20. århundrede kendte man godt til at beskrive lys som en bølgebevægelse. Der var bare et stort spørgsmål, som lagde op til en del undren: ”Hvad bevæger lyset sig igennem?”
De andre bølger, man kendte, bevægede sig som ”forstyrrelser” i et såkaldt medie. Havbølger er egentlig bare ”forstyrrelser” i et ellers stille hav, og lydbølger er blot trykforskelle i luften.
Hvis der ikke er noget hav, er der heller ingen havbølger, og i det lufttomme verdensrum kan der ikke eksistere lyd. Lys, derimod, kan godt bevæge sig igennem verdensrummet. Det kan tilsyneladende bevæge sig tusindvis af lysår igennem det rene ingenting. Det er helt modstridende med den forståelse, man havde af bølger før Einsteins tid. De fleste fysikere mente derfor indtil 1905, at lyset bevæger sig igennem et usynligt medie, som de kaldte æteren.
Æteren gennemtrængte hele universet og havde ingen andre egenskaber end at kunne transportere lys. Der var ingen beviser for, at æteren eksisterede, men det virkede på den anden side umuligt, at lys skulle bevæge sig gennem ingenting. – Æterteorien viste at være en af fysikkens gennem tiden mange mislykkede teorier.

Michelson-Morley forsøget

I 1887 lavede to fysikere et forsøg, der skulle bekræfte æterteorien. Forsøget i sig selv er ret spændende, men det er de bemærkelsesværdige resultater, der har givet det tilnavnet ”The most famous failed experiment”.
Forsøget gik ud på at måle lysets hastighed i forskellige retninger. De gik nemlig ud fra, at hastigheden måtte måles forskelligt, alt efter hvordan Jorden bevæger sig igennem æteren. Det gjorde de ud fra en ide om, at lysbølger opfører sig som fx havbølger.
Hastigheden af en havbølge – målt fra et skib – må jo være forskellig alt efter hvilken vej, du sejler. Da man gik ud fra, at Jorden bevægede sig gennem æteren, måtte lysets hastighed altså også være forskellig i forskellige retninger. Det viste sig at være fuldkommen forkert – lysets hastighed var den samme i alle retninger, ligegyldigt hvilken vej Jorden bevægede sig.
– Der findes altså ingen æter, og alt lys bevæger sig med den samme hastighed ligegyldigt hvem, du spørger. Hvis en bil tænder forlygterne, vil chaufføren i bilen og en hare, der sidder stille i vejkanten altså se lyset bevæge sig med samme hastighed.
Det virker fuldstændig ulogisk, og det gjorde det også for datidens fysikere. De fleste mente, at der måtte være sket en måle-fejl i Michelson-Morley forsøget. I 1905 udgav Albert Einstein imidlertid en artikel, som tog udgangspunkt i forsøgets mærkelige resultat og forklarede, hvilke konsekvenser dette har for tid og rum. Artiklen indførte en ny fysisk teori, som blev kaldt den specielle relativitetsteori.

Einsteins specielle relativitetsteori

I sin teori tog Einstein udgangspunkt i, at lysets hastighed måles ens for alle iagttagere i stedet for at bortforklare resultatet, som man tidligere havde gjort. Det kan lade sig gøre blot med gymnasiematematik at regne sig frem til de konsekvenser, som Einsteins antagelse har. Konsekvenserne er ret abstrakte, men kan lidt forsimplet opremses på følgende måde:
Tiden går langsommere for observatører i bevægelse end for observatører, der står stille. Denne effekt kaldes tidsforlængelse.
Er man selv i bevægelse, opfattes afstande i bevægelsesretningen kortere end hvis man stod stille. Denne effekt kaldes længdeforkortelse.
Vi vil nu prøve at se på, hvordan teorien kan forklare et tilsyneladende umuligt fysisk fænomen.

Partiklen der ikke burde være her

Cirka 10 km oppe i atmosfæren dannes nogle små partikler, kaldet myoner. De dannes med enormt store hastigheder – meget tæt på lysets. De er dog meget ustabile, og deres levetid er cirka 2,2 mikrosekunder.
Vi tager en myon med 99,87% af lysets hastighed som eksempel (hvilket ikke er unormalt). Ved at rejse i 2,2 mikrosekunder, skulle man tro, den kom omtrent 660m ned imod Jorden. Man ”burde” altså ikke kunne måle nogle af disse myoner på Jorden. Myonen når alligevel uden problemer ned til os, og der måles massevis af dem på Jorden hver eneste dag.

Lysets hastighed

Det virker måske underligt, at man gider skrive ”99,87% af lysets hastighed” – hvorfor er de sidste 0,13% så vigtige? Det er de, fordi lysets hastighed er en meget speciel størrelse.
Relativitetsteorien viser, at det er umuligt at opnå lysets hastighed for alt andet end lys. I takt med, at man nærmer sig lysets hastighed, bliver det sværere og sværere at accellerere, og effekter som tidsforlængelse får større og større betydning.
Vi på Jorden kan forklare dette med tidsforlængelsen. Myonen bevæger sig hurtigt, og dens tid går derfor meget ”langsommere” end vores. Når vi på Jorden mener, at en bestemt myons levetid på 2,2 mikrosekunder må være sluppet op, oplever den selv, at der kun er gået cirka en fyrretyvendedel af den tid. Den når derfor sikkert ned på Jorden.
Den opmærksomme læser vil måske indvende, at hastigheder skal ses i forhold til en betragter. Så hvad nu hvis du sætter dig oven på myonen og flyver ned på Jorden med den? Så ser den jo ikke ud til at bevæge sig overhovedet i forhold til dig, så hvordan kan den overleve turen, når nu dens tid ikke længere forlænges? Her kommer længdeforkortelsen i spil. Idet du og myonen nu bevæger jer hurtigt i retning mod Jorden, bliver afstande i denne retning (altså afstanden til Jorden) nu næsten 20 gange kortere! Din og myonens hastighed forbliver altså den samme, men I oplever kun afstanden til Jorden som 510 meter, og I lander derfor sikkert, inden myonen forsvinder.

Betydning for din GPS

Den specielle relativitetsteoris effekter spiller kun en væsentlig rolle, når man nærmer sig lysets hastighed.
De hastigheder, vi normalt oplever på jorden, er altså slet ikke store nok til, at vi mærker Einsteins teori. Men er teorien så kun forbeholdt abstrakte tankeeksperimenter og unødvendigt præcise ure? Faktisk nej! Det moderne GPS-system er stærkt afhængigt af relativistiske beregninger til at kunne være så præcist, som det er i dag.
Men der hvor relativitetsteorien for alvor betyder noget for os på Jorden, er i vores egen verdensopfattelse. Den viser os, at størrelserne tid og rum ikke er så simple, som vi måske tror, og at vi sommetider kan komme frem til noget revolutionerende, hvis vi tør stille spørgsmålstegn ved det tilsyneladende selvfølgelige.
De af relativitetsteoriens effekter, vi har berørt her, er alle beskrevet i den specielle relativitetsteori. Denne teori er blot en mindre del af den endnu mere abstrakte generelle relativitetsteori, som Einstein fremførte i 1915.

Peter Kyhl Revsbech har skrevet studieretningsprojekt om Einsteins teori.