|
Uitleg Wil je een vraag stellen, ga naar Contact Hier zijn ze nog een keer de aannames van Einstein uit de inleiding: Het relativiteitsprincipe: op elke plaats (waar die zich ook bevindt en of die plaats in beweging is of niet) waar onze mechanicawetten geldig zijn, zullen ook onze wetten van de elektrodynamica en de optica, kortom alle natuurwetten, geldig zijn. 2de aanname: In de lege ruimte beweegt licht zich, voor een waarnemer, altijd voort met een vaste snelheid die niet afhangt van de snelheid van het voorwerp dat het licht heeft uitgezonden In deze paragraaf herschrijft Einstein deze beide aannames. Wat begon als een vermoeden (geformuleerd als het "relativiteitsprincipe") werd een aanname en nu gaat hij het weer anders formuleren, namelijk als 1ste en 2de principe! Kan dat allemaal maar zo?Ja, dat kan omdat de nieuwe formulering een beperking inhoudt. De eerste manier van de beschrijving van het "relativiteitsprincipe" op blz. 891 verwijst in het algemeen naar plaatsen waar de mechanicawetten geldig zijn; in de beschrijving die hij nu p.895 geeft, beperkt hij zich tot de stelsels die eenparig ten opzichte van elkaar bewegen. Als de algemene formulering voor alle mogelijke plaatsen goed is, zal de beperkte formulering voor slechts de plaatsen die eenparig ten opzichte van elkaar bewegen, zéker goed zijn. Toch zet Einstein hier, zonder er een woord vuil aan te maken, ongemerkt nog een belangrijke stap voorwaarts, want hij praat niet meer over andere stelsels waar onze wetten geldig zijn, doch hij stelt in het 1ste principe andere stelsels en ons stelsel gelijkwaardig aan elkaar: 1ste principe: De wetten waaraan de veranderingen van de fysische toestanden van een natuurkundig verschijnsel voldoen, zijn onafhankelijk van de keuze van het stelsel, van twee onderling in eenparige translatiebeweging verkerende coördinatenstelsels, ten opzichte waarvan deze veranderingen worden beschouwd
2de principe: Iedere lichtstraal beweegt zich in
het coördinatenstelsel-in-rust met de vaste snelheid c , waarbij het niet
uitmaakt of deze lichtstraal van een voorwerp-in-rust of van een voorwerp–in-beweging
afkomstig is. Hierbij geldt :
Het tweede principe: "het licht in de lege ruimte beweegt zich altijd met een vaste snelheid…." beperkt hij tot "licht beweegt zich in het coördinatenstelsel-in-rust (in de lege ruimte) met een vaste snelheid". Dat is een verduidelijking want bij de eerste definitie blijf je je afvragen ten opzichte waarvan de snelheid de constante lichtsnelheid c is. Ten opzichte van het coördinatenstelsel-in-rust dus, waarbij, en dat is het gekke, ieder coördinatenstelsel dat zich eenparig rechtlijnig beweegt tot het "coördinatenstelsel-in-rust" mag worden gebombardeerd. De andere stelsels zijn dan ten opzichte daarvan in beweging. Bij meting in een stelsel-in-rust – en dus in ieder eenparig rechtlijnig bewegend stelsel – moet de lichtsnelheid gelijk aan c zijn. Daarmee is de cirkel rond, je kan dus ook zeggen dat het licht zich in de lege ruimte altijd met dezelfde, de vaste snelheid c voortbeweegt (als de snelheid wordt gemeten door een waarnemer). Ř Dit is moeilijk te begrijpen; we komen er echter veelvuldig op terug! Onder de "translatiebeweging", waarover Einstein in het relativiteitsprincipe spreekt, wordt verstaan dat de twee coördinatenstelsels een constante rechtlijnige beweging ten opzichte van elkaar hebben. Dus een vast punt uit het ene stelsel beschrijft met een constante snelheid een rechte lijn in het andere stelsel en omgekeerd.
Nadrukkelijk wordt in het 2de principe gesteld dat voor de lichtsnelheid geldt: Wat precies de "lichtweg" is, vertelt Einstein niet, maar neem gerust aan dat het de lengte is van de weg die het licht door de lege ruimte heeft afgelegd. De "tijdsduur" tussen vertrek en aankomst van het lichtsignaal moet met gelijklopende klokken, dus klokken die dezelfde tijd aangeven volgens de procedure van Einstein, worden gemeten. Zo kan je de lichtsnelheid meten.
Hier geeft Einstein al aan, zonder het met zoveel woorden te
zeggen, waar het probleem zit: Nu begint het. Let op! Einstein haalt er een starre, onvervormbare balk bij. Een starre staaf. In oude Nederlandse leerboeken werden die staven nog stijf genoemd, men sprak over stijve staven of latten. Te gek! Ik wil het Duitse "Stab" door "balk" vertalen omdat het iets concreter is en omdat we er ook waarnemers op zullen zetten. Van een staaf glijden ze af! Waar het Einstein om gaat, is dat die balk niet van lengte, breedte of dikte kan veranderen. Vormverandering van de balk is uitgesloten! Die balk heeft een lengte ℓ in het stelsel-in-rust gemeten met een meetlint of duimstok of wat dan ook en dat blijft de lengte ℓ ,dus daar kan geen twijfel over bestaan: ℓ = ℓ en geen millimeter minder. Vervolgens krijgt de balk een zet en beweegt met de snelheid v langs de x-as. De vraag is: hoe kan je nu de lengte van de bewegende balk meten? Op twee manieren:
Vanwege dat scherp bepaalde tijdstip moeten de klokken in het stelsel-in-rust, die bij de meting worden gebruikt, gelijklopen. Dat is gelukkig geen probleem meer, daarvoor heeft Einstein het recept gegeven. En dan komt Einstein met de onthutsende mededeling dat de laatst gemeten lengte niet gelijk is aan ℓ . Maar hij vertelt er niet bij hoe groot die lengte is, daar zegt hij niets over. Hij maakt er zich met een Jantje van Leiden vanaf Het zou prettig zijn als hij dat nog eens kwam uitleggen. Is de meting dan niet goed? Dit moeten we kennelijk zelf uitzoeken. Maak je borst maar nat. Dat wordt hersengymnastiek.
Zo’n oefening bestaat bijvoorbeeld uit een korte cursus
klokkijken!
Figuur 2.01 Een bewegende balk boven een snelweg. Bij de punten B en A zitten de cowboys met hun revolvers We gaan een proef doen met de bewegende balk boven een lege snelweg. Bij het punt A (Achter) en het punt B (Begin) hebben we twee van onze teamgenoten, twee cowboys, plaats laten nemen en we geven ze de opdracht op een scherp afgesproken tijdstip een gat in de weg recht onder het punt A respectievelijk B te schieten. Het gaat om die afspraak. We hebben nu te maken met twee stelsels:
De klokken in het stelsel-in-rust lopen gelijk en de trotse cowboys op de balk hebben ook ieder zo’n klok meegekregen, die ze echter gelijk moeten laten lopen met onze klokken van het stelsel-in-rust. Dat is een belangrijke opdracht! We kunnen communiceren met de cowboys, dus als we zien dat een klok voorloopt of achterloopt, dan vragen we de betreffende cowboy de wijzers van zijn klok iets achteruit of iets vooruit te zetten. Verder staan overal op de grond klokken opgesteld, zodat de cowboys zelf ook kunnen zien of hun klok gelijkloopt met onze klokken. Cowboy A bemoeit zich niet met cowboy B en omgekeerd. Of hun twee klokken onderling gelijklopen, weten ze niet en dat hoeven ze niet te controleren. Dat is hun zorg niet. Dat is onze taak, wij zorgen ervoor dat beide klokken gelijklopen met onze klokken. Op die manier zorgen de cowboys en wij in goede samenwerking dat hun klokken en onze klokken gelijklopen en dezelfde tijd aanwijzen; zij hebben dezelfde "tijd" als wij, sterker, zij maken gebruik van onze tijd. Daar is op zichzelf niets mis mee. Een treinreiziger mag tijdens de reis gerust op een perronklok, die in volle vaart passeert, kijken en zijn horloge daarmee gelijkstellen. Je vraagt je misschien af of de perronklok voor de reiziger wel dezelfde tijd aangeeft als voor de perronchef. Het antwoord is JA! Tijdens de passage zou de reiziger de klok met zijn krant een klap kunnen geven waardoor de wijzers gefixeerd zullen worden. Dat is voor chefs en conducteurs een "Puntgebeurtenis" die voor allen dezelfde betekenis moet hebben, dat houdt in dat allen de wijzers in dezelfde stand zien staan. Op het afgesproken tijdstip schieten de boys vanaf de balk-enden de
gaten in het wegdek. De grondploeg meet de afstand tussen de twee
kogelgaten en verdraaid: minder dan we dachten, minder dan ℓ
. We meten een afstand die we rAB
noemen. We vragen het de cowboys die er intussen bij zijn komen
staan.
We vragen de cowboys opnieuw plaats te nemen op de balk en nadat we de balk met
klokken en cowboys weer in beweging hebben gezet, zorgen we er opnieuw voor dat
hun klokken dezelfde tijd aanwijzen als onze klokken. Daarna geven we de
cowboys gelegenheid om zelf te controleren of hun klokken wel gelijklopen. Dit
moeten ze doen door de klokkentest van §1 uit te voeren op de balk. Ze doen de klokkentest: De cowboys verwachten " tB – tA" = " t'A – tB " , omdat de afstand van A naar B even groot is als van B naar A. Het licht moet over de heenweg even lang doen als over de terugweg, denken ze. Maar eigenlijk nemen we ze in de maling door ze klokken mee te geven die onze tijd aanwijzen, de tijd van de grondploeg. De tijdstippen die de cowboys aflezen, zijn de tijdstippen die wij ook aflezen op onze klokken. Voor ons moet het licht op de heenweg een grotere afstand afleggen dan de lengte rAB van de bewegende balk, want in de tijd dat het licht onderweg is, beweegt punt B zich over een afstand: v . (tB – tA). De afstand die het licht op de heenweg moet afleggen is dus volgens ons groter dan rAB :
De tijd die het lichtsignaal volgens ons over de heenweg van A naar B doet, en die door de cowboys wordt gemeten met de klokken die dezelfde tijd aanwijzen als onze klokken, is dus
Dit gaan we overzichtelijker schrijven: Beide kanten delen door (c – v) en zo verkrijgen we de formule voor de tijd die het signaal er volgens ons over doet om van A naar B te komen: Voor de terugweg p.897 geldt dat de afstand korter is dan rAB . In de tijd dat het licht van B naar A onderweg is, is A het licht al over een afstand v . (t'A – tB) tegemoet gesneld. De terugweg is dus een afstand van rAB – v . (t'A – tB) . Toon zelf op een vergelijkbare manier aan dat de tijd die het licht nodig heeft om van B naar A te geraken met de volgende uitdrukking wordt weergegeven: Wij zijn verbijsterd. De klokken
op de bewegende balk lopen niet gelijk (volgens het
recept van Einstein) terwijl we er voor
gezorgd hadden dat ze gelijk liepen! Op de bewegende balk is
er een tijdverloop van voor naar achter!
Dus als je de klokken in het stelsel-in-beweging dezelfde
tijd laat aanwijzen als de klokken van het stelsel-in-rust blijkt, wanneer je,
zoals de cowboys, met de bewegende
klokken meebeweegt, de voorste klok vóór te lopen op de achterste klok. Het
lukt niet om beide klokken op de balk zowel gelijk te laten lopen met elkaar
(gezien door de cowboys) als
met de onderling gelijklopende klokken (gezien door ons) van het stelsel-in-rust
.
Het is juist dat wij de cowboys instrueerden hoe ze hun klokken gelijk moesten laten lopen met onze klokken. Of de klokken naar de mening van de cowboys gelijkliepen, is niet gevraagd. Ze hadden misschien direct al het vermoeden dat de klokken niet gelijkliepen, maar omdat wij ze niet wilden geloven en omdat ze zelf ook behoorlijk twijfelden, moest via de meetprocedure van § 1, uitgevoerd door de cowboys op de balk, worden aangetoond dat de klokken, niet gelijkliepen. Het probleem is dus dat wij vinden dat de klokken gelijklopen, en dat kunnen we ook via metingen tussen onze klokken en door vergelijking met die op de balk aantonen, en de cowboys vinden dat ze niet gelijklopen en dat hebben ze ook aangetoond.
Goede vraag. Het antwoord is "ja". De tijden die worden afgelezen, zijn de tijdstippen waarop het lichtsignaal de klok verlaat of bereikt. Je zou op dat moment via een lamp de wijzerplaat van de klok even kunnen verlichten. Iedereen, in welk stelsel ook, kan dan alleen maar de stand van de wijzers zien die behoort bij dat tijdstip. Die stand ligt vast. Je zou de wijzerstand ook via de radio kunnen laten omroepen. Aan de wijzerstand valt niet te tornen. Wij zien heus wel dat uit de afgelezen tijdstippen dat de lichtstraal vertrekt, gereflecteerd wordt en weer aankomt, de conclusie moet worden getrokken dat de klokken niet gelijklopen. De heenweg duurt langer dan de terugweg. Desondanks zien wij alle klokken gelijklopen en tegelijkertijd moeten we accepteren uit de meting die de cowboys doen dat de klokken in hun bewegende stelsel niet gelijklopen. Wij hebben een ernstig probleem.
We zullen nog laten zien dat twee gebeurtenissen die ver van elkaar plaatsvinden in het ene stelsel gelijktijdig kunnen plaatsvinden terwijl vanuit een ander (bewegend) stelsel gezien de gebeurtenissen ongelijktijdig kunnen plaatsvinden. We nemen hier aan dat de lamp en de wijzer zo dicht bij elkaar staan dat het licht over deze afstand een te verwaarlozen tijd doet. Dan speelt het voorgaande geen rol. Maar daar komen we nog op terug.
Volgende vraag!
Ja, interessante vraag, maar eenvoudig te beantwoorden: Als klok B een stukje wordt teruggezet, namelijk met de helft van de tijd dat de klok vóórloopt, zal "tB – tA " wél gelijk zijn aan "t'A – tB". Zolang klok B dat stukje tijd achter blijft lopen op onze klokken en klok A gelijkloopt met onze klokken zullen ze gelijklopen in het stelsel-in-beweging.
De snelheid "v" zit er alleen maar in omdat de afstand van B naar A op de terugweg kleiner wordt tijdens de reis van het licht: de afstand is korter geworden met de afstand die de balk in de tijd (t'A – tB) heeft afgelegd: v . (t'A – tB) . We leggen het uit. De afstand die het licht moet afleggen (de lichtweg) op de
terugweg is dus: De tijdsduur t'A – tB die het licht daar over doet, is : We werken dit netjes uit (eigenlijk eenzelfde berekening als een stukje terug ): → breng de allerlaatste term links van het = teken (let op min wordt plus) → breng (t'A – tB ) buiten haakjes → breng (1+v/c) naar de andere kant→ het resultaat wordtDit is de term waar het om ging. Dus "c + v " stelt hier niet de snelheid voor van iets, het heeft geen fysische betekenis!. Het is gewoon een wiskundige term die tijdens de uitwerking opduikt.
Dat maakt niet uit. Als je de proef herhaalt, maar je laat de lichtstraal niet uit A maar uit B vertrekken om bij A te worden weerkaatst om weer in B te komen, krijg je dezelfde uitkomst: Opnieuw loopt B voor op A.
Dan draait het om. Als je de balk een snelheid de andere kant op geeft, waarbij het punt A het voorste punt wordt, dan zal de klok in A voorlopen op de klok in B. Bedenk dat het nog steeds de klokken zijn die, gezien vanuit het stelsel-in-rust, gelijklopen, maar volgens de meebewegende cowboys, die de test hebben gedaan, niet gelijklopen.
Jazeker en op de balk heerst een ander tijdregiem, dus als je de tijden op de balk wil vergelijken met de tijden van het grondstation moet je keer op keer die tijden met elkaar afstemmen.
Dit is één van de dingen die het verwarrend maakt. Voor één waarnemer op de grond zal het inderdaad zo zijn dat hoe verder een klok weg is, hoe meer de tijd op die klok achterloopt omdat het licht tijd nodig heeft om de waarnemer te bereiken. Dat geldt ook voor alle gelijklopende klokken in het stelsel-in-rust. Als je een (volgens de procedure van § 1) gelijklopende klok op de maan zou kunnen aflezen (vanuit een punt op aarde dat zich niet beweegt ten opzichte van de klok op de maan), zou je zien dat de klok ruim één seconde achterloopt op onze klokken. Dat heeft met de lichtsnelheid te maken: we kunnen de klokken namelijk niet gelijktijdig aflezen (tenzij je precies midden tussen de twee klokken zou zweven, in de ruimte). Dit is een effect dat los staat van het gelijklopen van de klokken, maar het effect is wel vele malen groter dan het effect waar we het hier over hebben. Het vóórlopen waar we het in deze paragraaf over hebben, is het vóórlopen als gevolg van de snelheid van de balk waarop de klokken zich bevinden! Het maakt met name, en het is goed je dat te realiseren, niet uit of de balk er aankomt of zich verwijdert, altijd loopt de klok die zich vooraan in de bewegingsrichting van de balk bevindt, vóór, althans volgens de cowboys die de meting verrichtten. Let op: het gaat nog steeds om klokken op de balk die we gelijk laten lopen met onze klokken.
Ook voor de cowboys geldt dat onze klokken en hun klokken
precies gelijklopen, want zo worden ze afgesteld, maar als ze hun klokken via de
klokkentest gelijk laten lopen, dan constateren de cowboys dat onze klokken niet
gelijk lopen.
Ja, dat heb je goed gezien. De voorste cowboy moet zijn klok
een stukje terugzetten en daarmee loopt de voorste klok achter ten opzichte van
onze klokken, maar ook achter ten opzichte van de klok van cowboy A
want die loopt nog steeds gelijk met de grondklokken.
Dit is de hamvraag. Einstein waagde zich niet direct aan het beantwoorden ervan. Hij zegt hier niet meer over dan dat gelijktijdigheid in het ene stelsel, vanuit het andere stelsel bezien geen gelijktijdigheid hoeft te zijn. Over de te meten lengte zwijgt hij vooralsnog als het graf. Hij loopt niet vooruit op de zaken. Wij zullen dat evenmin doen. We gaan eerst zelf aan de slag. Voorbereidende oefeningen! Pas als we enige ervaring hebben opgedaan, zullen we ons aan het volgende deel van de tocht wagen. We slaan ons bivak op en blijven hier nog een dag. Zie uitleg §2 plus. Terug naar het begin |