Erfgoeddag 2013 “Stop de tijd”

2. Erfgoeddag 2013 “Stop de tijd” Astronomie - Hoe de tijd meten : Dag, Jaar, Seizoenen, … - Wat is Tijd? Tijdservaring? - Hoe gaat de wetenschap om met de tijd? ( Verloopt tijd overal op dezelfde manier? ) Relativiteitstheorie van Einstein (1905 en 1915) Tijd - is niet wat wij aanvoelen - is gebonden aan de ruimte Vooreerst : Situeren in de geschiedenis van de wetenschappen

3. Begin 20ste eeuw : belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de wetenschap Vóór 1900 Klassieke fysica Na 1900 Moderne fysica Totale ommekeer in het denken over Ruimte en Tijd Newton 1643-1727 Einstein 1879-1955

4. Begin 20ste eeuw : belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de wetenschap Totale ommekeer in het denken over Ruimte en Tijd Einstein Newton • Tijd en ruimte : • Relatieve begrippen (kunnen veranderen) • - Gebonden begrippen Tijd en ruimte : - Absoluut karakter (altijd en overal gelijk) - Los elkaar.

5. Klassiek wereldbeeld volgens Newton • 1 meter = 1 meter: altijd en overal • 1 uur = 1 uur : altijd en overal Lijkt een evidentie te zijn. Het gezag van Newton is immers enorm “na Newton valt er in de fysica niets meer uit te vinden, ….behalve nog hier en daar een cijfer na de komma van een of andere natuurconstante nauwkeuriger te berekenen” (Lord Kelvin) • "Nature, and nature's laws, • Lay hid in night, • God said, let Newton be! • And all was light

6. Nieuw wereldbeeld volgens de nog jonge (25 jaar) bediende Einstein - 1 uur is niet steeds 1 uur - 1 meter is niet steeds 1 meter Lengte en tijd zijn veranderlijke grootheden en gebonden aan elkaar. Geen ruimte EN tijd Wel een ruimtetijd Hoe is Einstein op dit “revolutionnair” idee gekomen?

7. Oorsprong van de speciale relativiteitstheorie Hoe gedraagt het licht zich? Jeugdvraag van Einstein : “Wat zou er gebeuren mocht ik even vlug reizen als de lichtsnelheid?”

8. trein v t’ O’ t O station Snelheid meten van bewegende voorwerpen Iemand werpt een bal in een rijdende trein. ( 20km/u ) Bal beweegt t.o.v. - de trein - het station Hoe ziet een passagier in de trein de bal bewegen ? Hoe ziet de stationschef de bal bewegen ? 100 km/u Vraag : mag men “zomaar” snelheden optellen/aftrekken?

9. trein v t’ O’ t O station Hoe gedraagt het licht zich? Volgens de klassieke fysica zou het licht zich moeten gedragen als de bal in de trein Proef van Michelson en Morley ( 1887 ) 100 km/u De lichtsnelheid blijkt overal en altijd gelijk te zijn aan c = +/-300.000 km/s. Passagier en stationschef (en …) meten voor de lichtsnelheid steeds 300.000 km/s. Die twee punten liggen aan de basis van de relativiteitstheorie

10. Intermezzo : Impact van de relativiteitstheorie Twee gevallen onderscheiden : - trein : 200 km/uur - raket : 40.000 km/ uur snelheid van : 260.000 km/ seconde Effect meetbaar Effect niet meetbaar γ = 1 γ = 1,006 (γ > 1) - c : de lichtsnelheid : 300.000 km/seconde - v : de snelheid van een voorwerp, een ref. stelsel

11. trein v t’ O’ t O station Toepassing speciale relativiteitstheorie op de tijd: Wij veronderstellen steeds v zeer groot de tijdsdilatatie Tijd meten in de trein Tijd meten vanuit het station Volgens Newton : 1 uur = steeds 1 uur Volgens relativiteitstheorie : tijd waargenomen vanuit het station loopt trager Het duurt vanuit het station langer voordat de lichtstraal heen en weer is Voor de “stilstaande” waarnemer verloopt de tijd in de trein dus trager

12. Raket met grote snelheid Jan Jan Zo de raket van Jan niet beweegt t.o.v. Piet dan zijn rode tijdsignalen voor beiden even lang. (Tijd is gelijk) Jan zit in de raket : neemt rode tijdsignalen waar Zo de raket van Jan beweegt neemt Piet langere groene pijlen waar. Piet zit thuis : neemt groene tijdsignalen waar Zo Piet een eigen uurwerk heeft met zijn tijd dan zal dit vlugger lopen dan de tijd die hij meet voor Jan Piet

13. trein v t’ O’ t O station Toepassing speciale relativiteitstheorie op de tijd: Wij veronderstellen steeds v zeer groot de tijdsdilatatie Volgens relativiteitstheorie : tijd gemeten in de wagon verloopt trager wanneer men die meet vanuit het station Volgens Newton : 1 uur = steeds 1 uur (tijd waargenomen in het station) = (tijd gemeten in trein) . γ (tijd waargenomen door Piet) = (tijd gemeten door Jan) . γ ( met γ > 1) ) Belang : het meten van de levensduur van kosmische deeltjes Proeven met muonen in het CERN ( Genève) bevestigen de formules Het omgekeerde is evenzeer waar !

14. Gelijktijdigheid Als twee gebeurtenissen plaats vinden op hetzelfde moment Lichtstraal vanuit midden trein Gelijktijdigheid meten in de trein of voor stilstaande trein Gelijktijdigheid meten vanuit het station bij rijdende trein Gelijktijdigheid : Nieuwe betekenis in de relativiteitstheorie

15. Tweelingenparadox : - Inge vertrekt op ruimtereis, met een snelheid die deze van het licht benadert ( 240.000 km / seconde?) - Jan blijft thuis. Jan stelt vast dat de tijd van Inge trager loopt dan zijn eigen klok Als Inge naar haar uurwerk kijkt na 1 uur …dan zal Jan het uurwerk van Inge trager zien lopen (1,36 uur ) Inge zal volgens haar Aardse broer Jan minder vlug oud geworden zijn Paradox : men kan evengoed de redenering omkeren Er is geen paradox als men beseft dat er geen universele tijd is. Elk voorwerp heeft zijn “eigen tijd”

16. trein v t’ O’ t O station Invloed van de speciale relativiteitstheorie op de lengte van een voorwerp Wij veronderstellen steeds v zeer groot de lengtecontractie (lengte waargenomen vanuit het station) = (lengte gemeten in trein) / γ Iemand in de trein neemt een passagier waar Iemand neemt diezelfde persoon waar vanuit het station … omgekeerd ook waar !

17. trein v t’ O’ t O station Wij veronderstellen steeds v zeer groot Toepassing speciale relativiteitstheorie op de lengte de lengtecontractie Volgens Newton : 1 meter = steeds 1 meter Volgens relativiteitstheorie : lengte waargenomen vanuit het station is korter Een passagier die langs de Aarde voorbij reist, in een raket die de lichtsnelheid benadert, zou onze Aarde, als gevolg van de lengtecontractie, zien als een ovalen voorwerp. Het omgekeerde is ook waar

18. Vliegtuig Trein Andromeda nevel Raket Fietser Aarde (Station) Melkweg Kosmisch deeltje Zon Ikzelf Jupiter Elke waarnemer moet bij metingen rekening houden met effecten van de relativiteitstheorie, Elke waarnemer heeft een eigen tijd, een eigen klok …. maar verschillen meestal niet meetbaar Elke waarnemer is gelijkwaardig

19. De relativiteitstheorie Speciale relativiteitstheorie (1905) Algemene relativiteitstheorie (1915) - Geen versnellingen - Systemen bewegen “eenparig” t.o.v. elkaar - Wel versnellingen - Het sleutelwoord : “zwaartekracht”

20. Algemene relativiteitstheorie : Zwaartekracht nauwkeurig beschreven door Newton in enkele eenvoudige formules. Afwijkingen van de wetten van Newton (bvb. baan van Mercurius) werden toegeschreven aan andere factoren of aan foute waarnemingen In een “gedachten-experiment” tracht Einstein de zwaartekracht gewoon uit te schakelen

21. Gedachtenexperiment - Stap I : Wat gebeurt er in een lift in vrije val? Alles en iedereen is bevrijd van de zwaartekracht Zelfde effect als de lift “verweg” in de ruimte geplaatst - Stap II :Aan die “zwaartekrachtloze” lift in de ruimte een versnelling geven veroorzaakt in die lift op slag weer een zwaartekracht . Hieruit trekt Einstein 2 belangrijke conclusies

22. De twee conclusies van Einstein Conclusie I : Het equivalentie principe : de zwaartekracht en de versnelling mogen aan elkaar gelijkgesteld worden. Ze zijn niet van elkaar te onderscheiden Conclusie II : De zwaartekracht is niet langer een kracht De aanwezige massa vervormt gewoonde ruimte en de tijd . De “ruimtetijd” die wordt vervormd door de aanwezigheid van een massa. In de omgeving van die massa zullen voorwerpen in deze vervormde ruimtetijd vrije banen volgen. Geen massa in de omgeving aanwezig = Geen vervorming ruimtetijd.

23. PUNT II : Hoe gedraagt het licht zich? Volgens de klassieke fysica zou het licht zich moeten gedragen als de bal in de trein De lichtsnelheid blijkt overal en altijd gelijk te zijn aan c =300.000 km/s. Proef van Michelson en Morley ( 1887 ) c iseenABSOLUTE CONSTANTE in de natuur Die twee problemen liggen aan de basis van de speciale relativiteitstheorie De twee postulaten van de speciale relativiteitstheorie

24. De algemene relativiteitstheorie geeft een nieuwe visie op de ruimte en de tijd Newton Einstein • Ruimte en tijd vervormd door elke aanwezige massa • Zwaartekracht volgt die vervorming (kromming) Ruimte en tijd Vast onveranderlijk

25. De ruimte-tijd volgens Einstein Geen massa in de omgeving aanwezig = Geen vervorming ruimte (2 dim.) (ruimte is als een strak gespannen elastisch zeil) Door de massa wordt de ruimtetijd vervormd

26. Het bewijs van de juistheid van de algemene relativiteitstheorie komt in 1919 Eddington neemt gedurende een eclips sterren waar achter de Zon Afwijking veroorzaakt door de Zon : +/- 1,75 bg.sec Einstein wordt op slag beroemd

27. 3. De zwarte gaten Massa vervormt de ruimtetijd Zeer grote massa betekent… … onherroepelijke aantrekking in een zwart gat

28. Meten van de verandering van lengte en tijdsduur Intermezzo : waarin - c : de lichtsnelheid : 300.000 km/seconde - v : de snelheid van een voorwerp, een ref. stelsel Twee gevallen onderscheiden : - trein : 200 km/uur - raket : 40.000 km/ uur snelheid van : 260.000 km/ seconde γ = 1 γ = 1,006 (γ > 1) Effect niet meetbaar Effect meetbaar Men kan raden waar - de relativiteitstheorie van toepassing zal zijn - de klassieke theorie van Newton nog kan gebruikt worden

29. Algemene relativiteitstheorie : Newton had de zwaartekracht op een nauwkeurige manier beschreven in enkele zeer eenvoudige formules, die in de loop der jaren waren uitgegroeid tot een monument van de fysica. Afwijkingen van de fysica van Newton werden gewoon toegeschreven aan andere factoren of foute waarnemingen ( Baan Mercurius) Einstein breekt ook dit monument af. In een “gedachten-experiment” trachtte Einstein de zwaartekracht gewoon uit te schakelen

30. Meten van de verandering van lengte en tijdsduur Intermezzo : waarin - c : de lichtsnelheid : 300.000 km/seconde - v : de snelheid van een voorwerp, een ref. stelsel Twee gevallen onderscheiden : - trein : 200 km/uur - raket : 40.000 km/ uur snelheid van : 260.000 km/ seconde γ = 1 γ = 1,006 (γ > 1) Effect niet meetbaar Effect meetbaar Men kan raden waar - de relativiteitstheorie van toepassing zal zijn - de klassieke theorie van Newton nog kan gebruikt worden

31. De twee conclusies van Einstein Conclusie I : Het equivalentie principe : de zwaartekracht en de versnelling zijn niet van elkaar te onderscheiden Conclusie II : De zwaartekracht is niet langer een kracht, strictusensu, maar een vervorming van de ruimte en de tijd. We leven in een “ruimtetijd” - Vóór de relativiteitstheorie : krachten zijn de oorzaak van de beweging van voorwerpen en dit in een absolute ruimte. - Voortaan : De “ruimtetijd” wordt bepaald door de aanwezigheid van een massa. In de omgeving van die massa zullen voorwerpen in deze vervormde ruimtetijd vrije banen volgen. Geen massa in de omgeving aanwezig = Geen vervorming ruimtetijd.

32. Vervorming van de ruimtetijd Voor Einstein : - is er een “ruimtetijd” - en deze ruimtetijd wordt vervormd door de aanwezigheid van een massa Voor Newton : - ruimte absoluut karakter - tijd staat los van de ruimte Geen massa in de omgeving betekent dus geen vervorming van de ruimtetijd.

33. Enkele toepassingen in de sterrenkunde van de algemene relativiteitstheorie 1. Kruis van Einstein

34. 2. De afwijkingen in de baan van Mercurius Zijn wetten van Kepler en Newton niet volledig juist? : het periheliumpunt van Mercurius vertoont een rotatie van +/- 43 bgsec. / eeuw - Er is geen “nog niet ontdekte planeet” Volcanus - Er is gewoon een vervorming van de ruimte door de Zonnemassa : Mercurius komt te dicht bij de zon

35. Laat uw intuïtief aanvoelen van ruimte en tijd los Laat, zoals Einstein, je verbeelding werken

36. Einstein (1879 – 1955) maakt van tijd een “relatief” begrip Volgens de Relativiteitstheorie : Tijd en ruimte - zijn niet wat wij aanvoelen - zijn “relatieve” begrippen Situeren in de geschiedenis van de wetenschappen

37. 3. De zwarte gaten Zeer grote massa betekent… … onherroepelijke aantrekking in een zwart gat Elke massa vervormt de ruimtetijd

38. trein v t’ O’ t O station Is door de speciale relativiteitstheorie de klassieke fysica van Newton dan waardeloos ??? We tellen toch dagelijks snelheden op Bvb kosmische deeltjes uit de ruimte Snelheid trein : 200 km/uur Raketten : 40.000 km/uur c = 300.000 km/seconde Effecten van de relativiteitstheorie enkel voelbaar bij zeer grote snelheden

39. Doorslaggevend belang van de Solvay conferenties in het Metropole hotel te Brussel Lorentz Einstein

41. Relativiteit van een beweging Trein Vliegtuig Raket Jupiter Melkweg Aarde (Station) Zon Fietser Beweegt men altijd ten opzichte van iets? Bestaat er een ether? Bestaat er een “absolute beweging?

42. Het bewijs van de algemene relativiteitstheorie komt in 1919 Eddington neemt sterren waar achter de Zon Zonsverduistering van 29/05/1919 ( Eiland Principe ) - Berekende afwijking : 1,72 bg.sec - Waargenomen afwijking : 1.75 bg.sec.

43. De zwaartekracht krijgt een ander betekenis Een voorwerp “valt” niet op een andere massa maar “volgt zijn weg” in de vervormde ruimte Niet iedereen aanvaardt de visie van Einstein

44. De relativiteitstheorie Speciale relativiteitstheorie (1905) - Geen versnellingen - Wel versnellingen Algemene relativiteitstheorie (1915) Sleutelwoord :“zwaartekracht” Laat uw intuïtief aanvoelen van ruimte en tijd los Laat, zoals Einstein, je verbeelding werken Vooreerst : Situeren in de geschiedenis van de wetenschappen

45. trein v t’ O’ t O station Twee postulaten van Einstein : • 1. Trein of station ( of ergens anders) : zijn gelijkwaardige plaatsen. De wetten van de natuur hangen dus niet af van de plaats waaruit je ze meet. • 2. De gemeten lichtsnelheid c is altijd dezelfde en overal (c = een absolute constante) c heeft een absolute waarde Lengte en tijd worden veranderlijk

46. Einde Gemaakt door Emiel Beyens, april 2013, in opdracht van Volkssterrenwacht MIRA vzw