Docent Hans Riesel gjorde en djuplodande redogörelse för vad denna teori innebär.
Hans Riesel inledde med att förklara vad man menar med en teori:
- Den skall kunna förklara gjorda experiment;
- Kunna korrekt förutsäga utfallet av nya experiment;
- Och den skall vara möjlig att ”falsifiera”, dvs. om teorin ar felaktig så skall det vara möjligt att avgöra detta med någon form av test.
Ordet ”teori” används inte sällan (t.ex. av New Age-anhängare) på ett olämpligt satt som om ordet inte innebar mer än ordet ”påstående”. Vetenskapsmannen måste alltid vara beredd att modifiera sin teori i ljuset av nya empiriska eller experimentella rön.
Det teoribygge för mekaniken som inleddes av Galilei och med Newton nådde lysande framgångar stod i stark kontrast till uppfattningar som varit rådande sen antiken och Aristoteles. Newtons mekanik står sig bra och har sin plats än idag så länge som man inte behöver befatta sig med extrema förhållanden. Men det var just extrema förhållanden som fysikerna stötte på i början av 1900—talet då den moderna atomteorin och kvantmekaniken växte fram. Redan vid 1800-talets slut hade teoretikerna råkat i svårigheter. Det visade sig att de s.k. Maxwells ekvationer, som beskriver elektromagnetisk vågrörelse, inte uppfyllde ett rimligt krav nämligen att ha ett oförändrat utseende för olika iakttagare i likformig rätlinjig rörelse i förhållande till varandra. Ett berömt experiment av Michelson och Morley (1887) satte också myror i huvudet på fysikerna. Då man tänkte sig att ljus inte kunde fortplantas i rent vakuum, hade man infört en slags provisoriskt begrepp – etern – som fyllde denna uppgift och tänktes uppfylla universum som en slags immateriell gas (jämför den mörka energin, ett t.v. provisoriskt begrepp). Men M&M:s experiment tydde på att etern inte finns. Man fann nämligen att ljushastigheten verkar vara oberoende av ljuskällans rörelse. Ett annat experiment for bestämning av ljushastigheten i strömmande vatten hade också visat att hastigheter där ljus är inblandat inte bara kan summeras. Man hade då tillgripit konstlade förklaringar som att etern drogs med av materia i rörelse (Fresnel) och att kroppar i rörelse blev kortare (den s.k. Lorentz-kontraktionen).
Einstein gjorde rent hus med detta i och med sin Speciella Relativitetsteori som publicerades 1905. Han antar där som ett postulat eller axiom vad experimenten tycktes visa; nämligen att ljushastigheten är densamma för alla observatörer i likformig rätlinjig rörelse i förhållande till varann (observatorer i s.k. tröghetssystem eller intertialsystem; ”Frames of Inertia”). Ur detta antagande följer med nödvändighet alla de avvikelser från den klassiska Newtonska mekaniken som man konstaterat. Det verkligt djärva i Einsteins antagande var att även själva tiden måste vara relativ – dvs. det finns ingen objektiv matematisk tid som flyter fram med konstant och lika hastighet för alla iakttagare. Inte ens samtidighet är absolut. Det visar sig att sammansatta hastigheter u och v (t.ex. person som går framåt ombord på tåg i rörelse) inte sammansätts enligt formeln w = u + v utan som w = (u + v) /(1 + u*v /c2); där c = ljushastigheten = 300 000 km/s. På grund av att c är så stort med vardagliga mått mätt, så blir värdet av u*v/c2 ett mycket litet tal för de hastigheter vi har att göra med i vardagen. Därför märks inte denna effekt annat än i speciella experiment eller i astronomiska sammanhang. Formeln w = (u + v) /(1 + 11*v /c2); kallas additionsteoremet (för hastigheter). För den matematiskt bevandrade kan som ett kuriosum påpekas att om hastigheterna mäts med ljusets som enhet, så får formeln utseendet: w = (u+v)/(1 + uv); och har då samma utseende som det s.k. additionsteoremet för funktionen tanh (= tangens hyperbolikus), som återfinns på alla mera avancerade vetenskapliga miniräknare (troligen även i just din mobil).
För två observatörer (fysiker) i var sitt inertialsystem gäller enligt den Speciella Relativitetsteorin att båda tycker att den andres klockor går för långsamt (kallas tidsdilatation) och att längder förkortas i rörelseriktningen. Den s.k. invariant som avstånd utgör i den klassiska mekaniken (= kvadratroten ur (x2 + y2 + z2)), visar sig i Einsteins Teori motsvaras av ett uttryck där även tiden kommer in: (= kvadratroten ur (x2 + y2 + z2 – t2)), där t är tiden i en lämplig sort. Einstein upptäckte ur dessa förutsättningar även att den s.k. tröga massan, dvs. ett objekts motstånd mot att låta sig accelereras, ökar med växande hastighet och går mot oändligheten då man närmar sig ljushastigheten. Därav följer att inget materiellt föremål kan uppnå ljushastigheten. Att massan tillväxer vid höga hastigheter är något man konkret måste ta hänsyn till i de stora partikelacceleratorerna. t.ex. i Cern.
I samband med detta fann Einstein sin berömda formel E = m * c2 som visar att ett materiellt föremals s.k. vilomassa motsvarar en enorm energimängd – något som skrämmande demonstrerades av atombomben över Hiroshima. Den bomben (som vägde 4,6 ton enligt Wikipedia) utvecklade en energi (88 TJ = 88*1012 Joule) som dock endast motsvarade vad ett enda gram materia ger om det helt kunde omvandlas i energi.
Slutligen avhandlades den berömda tvillingparadoxen: Av två tvillingar beger sig den ena ut på en rymdresa under storleksordningen ett 20-tal år, och når under färden en väsentlig bråkdel av ljushastigheten. Han vänder sen tillbaka till jorden. Då är den andra tvillingen död sen kanske hundratals år. Rymdresenärens tid, s.k. egentid, har saktat sig så att han fått förlängt liv jämfört med tvillingen på jorden. En invändning här brukar vara att allt är relativt och att man val lika gärna kunde se det som att jorden ”begett Sig ut på resa”. Men p.g.a. att endast den ena varit utsatt for acceleration så har situationen inte varit symmetrisk. Bara den kvarvarande personen har (approximativt) befunnit sig i ett tröghetssystem. Faktum ar att detta har provats experimentellt genom att man skickat upp atomur i flygplan som sedan jämförts med atomur på jorden. Effekten var förstås minimal men fullt mätbar.
Text: Karsten Jöred
