Prøv avisen

I rummet går tiden langsomt

Ved rejser ved høj hastighed, eksempelvis i rummet, går tiden ifølge Einsteins specielle relativitetsteori langsommere. Her ses et foto taget fra den internationale rumstation i december over den nordligste del af Canada, hvor nordlyset danser i et bælte over tusinder af kilometer. – Foto: Polfoto

Einsteins specielle relativitetsteori er en hjørnesten i fysikken og giver os blandt andet svaret på, hvorfor astronauter ældes langsommere, når de rejser ved høj hastighed i rummet. Ulrik Uggerhøj, professor i fysik, er aktuel med en bog om teorien og beskriver her nogle af de centrale pointer

To af de største videnskabelige landvindinger i 2016, detektionen af gravitationsbølger og fundet af en planet, der kredser i den beboelige zone om vores nærmeste stjerne (fraregnet Solen), Proxima Centauri, tager jeg op i min nye bog ”Speciel relativitetsteori” om Albert Einsteins teori fra 1905.

Bogen henvender sig primært til læsere med matematiske forudsætninger, der minimum er svarende til gymnasieskolens sidste år. Mange af de beskrevne fænomener fra relativitetsteorien kan dog fint forstås uden at gå i detaljer med matematikken, som det ellers er gjort i bogen, og det er disse pointer, jeg vil forsøge at bringe frem her.

Lad os begynde med et centralt spørgsmål: Hvorfor er den specielle relativitetsteori overhovedet relevant? Det er den, fordi den menes at være gældende for alle former for fysiske vekselvirkninger, på nær for tyngdefænomener af større skala, hvor den generelle relativitetsteori gør sig gældende.

Den specielle relativitets-teori er blandt andet en hjørnesten i den moderne fysiks behandling af elementarpartiklernes vekselvirkninger. Og i udviklingen af nye teorier behøver man normalt kun at overveje de teorier, der er konsistente med – og eventuelt udvider – den specielle relativitetsteori.

Sammen med fysikkens anden hjørnesten, kvantemekanikken, kan den specielle relativitetsteori forudsige eksperimentelle resultater med enorm præcision.

Bogen lægger ud med at vise, at ”et ur i bevægelse går langsomt”, og at det må gælde ethvert ur, således også for en persons hjerteslag og dermed aldring, for eksempel. Dette fører naturligt til det ofte diskuterede tvillinge-paradoks, der ikke er et egentligt paradoks, men som umiddelbart synes at være det: Den ene af tvillingerne, Marie, tager på rumrejse og vender tilbage til sin bror, Albert, på Jorden.

Under hele turen må Albert mene, at Maries ur går langsomt, da hun bevæger sig, hvilket vil sige, at hendes aldring sløves. Men omvendt må Marie under turen mene, at det er Albert der – relativt – bevæger sig, og at det derfor er hans aldring, der sløves. De kan ikke begge have ret, og bogen viser grundigt – på flere måder – at når de mødes igen, er Marie yngre end Albert, og at ingen af dem er overraskede over, at det forholder sig på denne måde.

I et senere kapitel vises det, at dette fænomen, at ”et ur i bevægelse går langsomt”, er en essentiel del af GPS-systemet. Uden relativitetsteori ville GPS-systemet fejle med en halv snes kilometer pr. døgn.

I samme kategori kan nævnes et eksempel fremført af den berømte irske fysiker John S. Bell: For at vise, at intuitionen let kan føre til forkerte resultater i forbindelse med relativitetsteori, lavede han på det fælleseuropæiske partikelfysikcenter, CERN, ved Genève, en rundspørge om et simpelt problem med to raketter, der starter samtidigt, accelererer ens, og hvorimellem en tynd snor er udspændt. Knækker snoren, eller gør den ikke? Det viste sig, at de fleste svar var forkerte, men at de adspurgte professionelle fysikere dog kunne regne det korrekte svar ud. Man kan altså let gå galt i byen, hvis man baserer sit svar på mavefornemmelser.

Og når vi nu er ved CERN, gennemgås i bogen også et gennemregnet eksempel på detektionen af den såkaldte Higgs-partikel – formentlig det seneste årtis største opdagelse inden for partikelfysikken.

Blandt det, der i bogen kaldes udvidelser af den specielle relativitetsteori, herunder tilnærmelser til tyngdefænomener baseret på Einsteins ækvivalensprincip (at tyngde og acceleration ikke kan skelnes i en tilpas lille omegn), finder vi blandt andet sorte huller og Hawking-stråling.

Sidstnævnte fænomen, der betyder, at sorte huller ikke er perfekt sorte, men lyser en lille smule, kræver, at læseren ”sluger et par kvantekameler”, det vil sige accepterer et par postulater fra kvantemekanikken, der i øvrigt ikke er meget omtalt. Men med disse ”detaljer” på plads vises det, at små sorte huller meget hurtigt vil fordampe ved udsendelse af Hawking-stråling, mens store sorte huller vil leve næsten uendeligt.

Afslutningsvis kan vi her vende tilbage til den nyopdagede planet, der kredser i den beboelige zone om vores nærmeste nabostjerne. Vil det overhovedet kunne lade sig gøre at sende astronauter derud?

Ja, er bogens svar. Selvom planeten ligger i en afstand på 4,2 lysår fra Jorden, vil astronauten – såfremt man formår at bygge en såkaldt foton-raket med effektiv fremdrift ved hjælp af intenst lys – kun skulle bruge 3,6 af sine egne år på at nå derud ved en acceleration svarende til tyngdeaccelerationen på Jorden. Samtidig vil energibehovet ikke være urealistisk stort.

Så der vil ikke være noget principielt, der udelukker en sådan rejse inden for et menneskes levetid.

Og – som bogen viser direkte – gravitationsbølger er ikke meget sværere at forstå end elektromagnetiske bølger, herunder lys. Så detektionen af gravitationsbølger indvarsler en ny epoke i astronomien, hvor man vil kunne ”se” (eller måske snarere ”lytte”) ud i universet ved hjælp af de nyopdagede bølger.

En af de største videnskabelige opdagelser i 2016 var opdagelsen af de såkaldte tyngdebølger, som netop Albert Einstein havde forudset næsten 100 år tidligere.

Kilde: Troels Harmark, lektor i teoretisk partikelfysik og kosmologi på Niels Bohr Instituttet /ritzau/