Albert Einstein heeft twee relativiteitstheorieën gepubliceerd: de speciale relativiteitstheorie (in 1905) en de algemene relativiteitstheorie (in 1916).

Speciale relativiteitstheorie

Tot het begin van de 20^e eeuw waren de meeste wetenschappers overtuigd van het bestaan van de ‘ether’, een medium dat de lege ruimte opvult en dat de voortplanting van licht door de lege ruimte mogelijk maakt. Licht was immers een golf en golven kunnen zich alleen in een medium voortplanten.

Volgens de ethertheorie is de lichtsnelheid ten opzichte van de ether constant, en omdat de aarde ten opzichte van de ether beweegt zou de lichtsnelheid op aarde een andere waarde hebben en, vanwege de beweging van de aarde om de zon, ook nog eens anders zijn in de richting waarin de Aarde beweegt dan in een richting die daar loodrecht op staat.

Hetzelfde geldt voor geluid. Wanneer je de geluidssnelheid meet vanuit een rijdende trein, meet je een andere waarde dan stilstaand op de grond (de geluidssnelheid is immers constant in de lucht). Het was met experimenten, zoals dat van Michelson en Morley niet gelukt het verschil in lichtsnelheid in twee verschillende richtingen aan te tonen.

Einstein postuleerde nu dat dit niet kon worden aangetoond. Er bestond niet zoiets als ‘absolute snelheid’, maar alle snelheden waren relatief. Het ethermodel werd door zijn aannames overbodig. Deze begrippen werden door Einstein in 1905 gepubliceerd als de speciale relativiteitstheorie met als belangrijkste twee postulaten:

- de lichtsnelheid heeft in elk inertiaalstelsel dezelfde waarde
- in elk inertiaalstelsel gelden dezelfde natuurwetten
(een inertiaalstelsel is een systeem waarin alle massa’s met constante snelheden ten opzichte van elkaar bewegen: versnellingen (ook zwaartekracht) zijn dus niet toegestaan).

Deze postulaten hadden verregaande gevolgen voor de noties ‘ruimte’ en ‘tijd’. Absolute ruimte en tijd bestaat niet meer zoals in de tijd van Newton. Er is slechts relatieve ruimte en tijd. Deeltjes van een massa kunnen nooit de snelheid van het licht bereiken en bij objecten die snelheden hebben in de buurt van de lichtsnelheid veranderen massa en tijd en lengte op een manier die tegen onze intuïtie ingaat.

Einstein was niet de eerste die zich met het relativiteitsbegrip bezighield. Galileo Galileï had al bedacht dat in een systeem met een constante snelheid ten opzichte van de aarde dezelfde natuurwetten gelden als in een stilstaand systeem. En Einsteins theorie was voor publicatie ook eigenlijk al bevestigd in het experiment van Michelson en Morley.

De Nederlander Hendrik Lorentz had ook al voor het uitkomen van Einsteins theorieën de belangrijkste formules uit deze theorieën al afgeleid – de Lorentztransformaties. Hij postuleerde dat voorwerpen die de lichtsnelheid naderen korter worden in de bewegingsrichting en hij nam aan dat klokken die door de ether heen bewogen langzamer gingen lopen. Uiteindelijk heeft Einstein dus de fundamenten die er al lagen bij elkaar geraapt en theoretisch onderbouwd in de speciale relativiteitstheorie.

Algemene relativiteitstheorie

De algemene relativiteitstheorie is in 1916 door Einstein gepubliceerd. Het grote verschil tussen de algemene en de speciale relativiteitstheorie zit in het feit dat bij de algemene relativiteitstheorie wèl versnellingen worden meegerekend. Een essentieel punt is ook dat de zwaartekracht de ruimte vervormd. Versnellingen door zwaartekracht worden gelijkgesteld aan elke andere versnelling. Op aarde staan en de zwaartekracht van 9,8 m/s² voelen is equivalent aan staan in een lift in de ruimte (ergens zonder zwaartekracht) die met 9,8 m/s² naar boven versnelt – je zal geen verschil kunnen meten.

In de algemene relativiteitstheorie wordt de zwaartekracht niet als een kracht behandeld (zoals in het Newtoniaanse tijdperk) maar als een gevolg van de kromming van ruimte en tijd. Massa en energie doen de ruimte krommen op een manier die alle deeltjes (ook licht) beïnvloedt. Wij vallen dus naar de aarde doordat de massa van de aarde de ruimte kromt.

Deze theorie voorspelt ook effecten aan de rand van een zonsverduistering die inderdaad in 1919 gemeten zijn (de sterren aan de rand van de zon hebben een iets andere positie doordat hun licht gebogen wordt door de massa van de zon). Dit was een sterke bevestiging voor deze controversiële theorie.

Ook biedt de algemene relativiteitstheorie een oplossing voor afwijkingen in de baan van Mercurius om de zon. Een ander gevolg van de algemene relativiteitstheorie zijn gravitationele lenzen. Dit zijn zware astronomische objecten of groepen van objecten zoals sterrenstelsels of clusters van sterrenstelsels die door hun massa het licht buigen van objecten die veel verder weg staan zodat ze als het ware het effect van een vergrotende lens hebben.

Een filmpje over gravitationele lenzen vind je hier. Dit filmpje bevat ook uitleg in het Engels.