Erfgoeddag 2013 “Stop de tijd”

Presentatie over: "Erfgoeddag 2013 “Stop de tijd”"— Transcript van de presentatie:

1

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? ) Pretentieus onderwerp? Chronos Voor astronomie : weten wanneer iets zich zal voordoen maar ook gebruiken van astronomie om tijd te meten Temnein of continu? Paradox van Zeno! Voor Kant is tijd een innerlijke voorstelling, de mens eigen, waarop zijn ervaringen van de buitenwereld op berusten. Het is een uiting van structuur van ons bewustzijn. Tijd is iets immaterieels waartegen je uwmateriële ervaringen plaatst om ze te ordenen Chronos is een figuur uit de Griekse mythologie. Hij is de personificatie van tijd. Hij stamt af van de oergod Chaos en wordt meestal voorgesteld als een oude man met een lange grijze baard. Hij heeft tijd en is uiteraard zeer oud Chronos is dus zeer vroeg geschapen door de oergod. Ook in de bijbel werd direct de tijd geschapen ( dag en nacht) zoniet is er niets te ordenen Waarom niet omkeerbaar zoals bvb afstand van gaan naar of terug Wat is tijd is filosofie! 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 Totale ommekeer in het denken over Ruimte en Tijd
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 Einstein Er zijn veel revoluties geweest ( copernicus, newton, …. ) Baan van Mercurius : waarom kloppen de formules van Kepler niet volledig Bestaat er een absoluut referentiestelsel? Zoektocht naar de ether Zwarte gaten : wat gebeurt er bij uiterst sterke zwaartekracht ( Laplace ) Is het licht een deeltje of een golf? ( Newton versus Huygens) - Afwijking in de baan van Mercurius? Geen nieuwe planeet “Volcanus”! Bestaan zwarte gaten? Is de meetkunde van de ruimte zoals men denkt dat ze is? - Bestaat de ether als medium? Levensduur en mutatie van kosmische deeltjes (mesonen)? Hoe straalt een ster?

4 Totale ommekeer in het denken over Ruimte en Tijd
Begin 20ste eeuw : belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de wetenschap Totale ommekeer in het denken over Ruimte en Tijd Einstein Newton Er zijn veel revoluties geweest ( copernicus, newton, …. ) Niet alleen Einstein. Zie foto Solvay Baan van Mercurius : waarom kloppen de formules van Kepler niet volledig Bestaat er een absoluut referentiestelsel? Zoektocht naar de ether Zwarte gaten : wat gebeurt er bij uiterst sterke zwaartekracht ( Laplace ) Is het licht een deeltje of een golf? ( Newton versus Huygens) - Afwijking in de baan van Mercurius? Geen nieuwe planeet “Volcanus”! Bestaan zwarte gaten? Is de meetkunde van de ruimte zoals men denkt dat ze is? - Bestaat de ether als medium? Levensduur en mutatie van kosmische deeltjes (mesonen)? Hoe straalt een ster? 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 Moed van een jonge ongekende Einstein, bediende in Bern, om Newton tegen te spreken Verbeelding nodig. Loslaten intuitie 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?” Ondertussen Michelson proef Werkruimte van Einstein en hubble Antwoordt in 1905 met relativiteitstheorie Na Maxwell dachten velen dat het licht een golf was, ook Einstein

8 Vraag : mag men “zomaar” snelheden optellen/aftrekken?
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 ? t’ t O’ trein O station v Verbeelding laten werken zoals Einstein Slecht maar klassiek voorbeeld om het duidelijk te maken. Zal steeds terug keren Ofwel in de richting of, tegengestelde richting U = v + w /( 1 + vw/c2) 100 km/u Vraag : mag men “zomaar” snelheden optellen/aftrekken?

9 Hoe gedraagt het licht zich?
Volgens de klassieke fysica zou het licht zich moeten gedragen als de bal in de trein t’ t O’ trein O station v Proef van Michelson en Morley ( 1887 ) 100 km/u De lichtsnelheid blijkt overal en altijd gelijk te zijn aan c = +/ km/s. Passagier en stationschef (en …) meten voor de lichtsnelheid steeds km/s. Naar een lichtstraal gaan is toch steeds kwantummechanica/s Lichtdeeltjes uitgezonden in de trein wordt OOK door de stationwachter aan kwantummechanica/s gezien Die twee punten liggen aan de basis van de relativiteitstheorie

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

11 Toepassing speciale relativiteitstheorie op de tijd:
Wij veronderstellen steeds v zeer groot t’ t O’ trein O station v 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 Δt = Δt’ .γ met γ >1 Aangezien c constant is kan men deze signalen gebruiken als klok DUS : 1 uur in O’ duurt langer in O Zelf verder gaan metdden spiegel zoals in You tube Als de trein niet rijdt zijn de tijden gelijklopend Als de trein rijdt dan zal mijn uurwerk vlugger lopen dan het uurwerk dat ik zie van de trein Vergelijk om een bal te laten vallen in een rijdende trein en neem die waar vanuit het station. Hetzelfde als mat licht 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 11

12 Zo de raket van Jan beweegt neemt Piet langere groene pijlen waar.
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 Met lichtsignalen kan hij de tijd meten Groene en rode signalen, van waaruit je ze ook meet gaan steeds even snel (c) 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 Het omgekeerde is evenzeer waar !
Toepassing speciale relativiteitstheorie op de tijd: Wij veronderstellen steeds v zeer groot t’ t O’ trein O station v 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 Δt = Δt’ .γ met γ >1 DUS : 1 uur in O’ duurt langer in O Levensduur van muonen is zeer kort (2 microseconden). Zouden dus nooit de aarde kunnen bereiken vanuit de atmosfeer. En toch zien wij ze wel Men zou kunnen denken zo een absoluut stelsel gevonden te hebben, nl waat de tijd het kortst is. Helaas tijdsdilatatie is wederkerig (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 ! 13

14 Gelijktijdigheid Lichtstraal vanuit midden trein
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 ( 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 Invloed van de speciale relativiteitstheorie op de lengte van een voorwerp
Wij veronderstellen steeds v zeer groot t’ t O’ trein O station v 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 Δl = Δl’ /γ met γ >1 DUS : 1 meter in O’ meet minder in O Groene en rode lengte niet meer gelijk als trein beweegt. Korter tov van… relatief. Wat beweegt??? Wie meet !!!! … omgekeerd ook waar ! 16

17 Toepassing speciale relativiteitstheorie op de lengte
Wij veronderstellen steeds v zeer groot Toepassing speciale relativiteitstheorie op de lengte t’ t O’ trein O station v de lengtecontractie Volgens Newton : 1 meter = steeds 1 meter Volgens relativiteitstheorie : lengte waargenomen vanuit het station is korter Δl = Δl’ /γ met γ >1 DUS : 1 meter in O’ meet minder in O En …omgekeerd voor de aarde 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 17

18 Elke waarnemer is gelijkwaardig
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” Dit stap voor stap duidelijk maken Relativiteitstheorie : alles relatief Referentiestelsel : waarnaar men zich refereert Men telt snelheden op. Voor licht gaat niet (michelson) 19

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 Volcanus voot Mercurius In een “gedachten-experiment” tracht Einstein de zwaartekracht gewoon uit te schakelen

21 Hieruit trekt Einstein 2 belangrijke conclusies
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 gewoon de 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 : Hoe gedraagt het licht zich?
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 = km/s. Proef van Michelson en Morley ( 1887 ) c is een ABSOLUTE CONSTANTE in de natuur Naar een lichtstraal gaan is toch steeds kwantummechanica/s Lichtdeeltjes uitgezonden in de trein wordt OOK door de stationwachter aan kwantummechanica/s gezien 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 : km/seconde - v : de snelheid van een voorwerp, een ref. stelsel Twee gevallen onderscheiden : - trein : 200 km/uur - raket : km/ uur snelheid van : km/ seconde γ = 1 γ = 1, (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 : Einstein breekt ook dit monument af.
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 : km/seconde - v : de snelheid van een voorwerp, een ref. stelsel Twee gevallen onderscheiden : - trein : 200 km/uur - raket : km/ uur snelheid van : km/ seconde γ = 1 γ = 1, (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 We leven in een “ruimtetijd”
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, strictu sensu, 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
Reltiviteitstheorie uitleggen mijn “zware” opdracht Laat strarre beelden los van tijd en ruimte Laat uw intuïtief aanvoelen van ruimte en tijd los Laat, zoals Einstein, je verbeelding werken

36 Situeren in de geschiedenis van de wetenschappen
Einstein (1879 – 1955) maakt van tijd een “relatief” begrip Volgens de Relativiteitstheorie : Tijd en ruimte - zijn niet wat wij aanvoelen - zijn “relatieve” begrippen Newton : tijd is absoluut Leibniz : “espace absolu” geen zin zo niet gevuld met iets Mach Ook Einstein houdt er zich mee bezig : natuur van ruimte en tijd Situeren in de geschiedenis van de wetenschappen

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

38 Is door de speciale relativiteitstheorie de klassieke fysica van Newton dan waardeloos ???
We tellen toch dagelijks snelheden op Bvb kosmische deeltjes uit de ruimte t’ t O’ trein O station v Het is een voorbeeld. Futuristische trein Dagelijks nog gebruiken zonder ongelukken Snelheid trein : 200 km/uur Raketten : km/uur c = 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 Op alle gebieden revolutie Lorentz Einstein

40

41 Beweegt men altijd ten opzichte van iets?
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/ ( 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” Dit stap voor stap duidelijk maken Relativiteitstheorie : alles relatief Referentiestelsel : waarnaar men zich refereert Men telt snelheden op. Voor licht gaat niet (michelson) Laat uw intuïtief aanvoelen van ruimte en tijd los Laat, zoals Einstein, je verbeelding werken Vooreerst : Situeren in de geschiedenis van de wetenschappen

45 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. t’ t O’ trein O station v 2. De gemeten lichtsnelheid c is altijd dezelfde en overal (c = een absolute constante) Geen andere natuurkunde in trein en in het station. Geen absolute voorkeurplaats Einstein gebruikte in zijn verbeelding veel treinen Waar O of O’ vastzetten??? zeer belangrijk gevolg van constante c :Aangezien Snelheid een constant gegeven is MOETEN wel lengte en tijd veranderlijk zijn Er zijn geen ref. kaders die als rust kunnen beschouwd worden. Enkel tov iets kan men spreken. Rust is niet te vinden c heeft een absolute waarde Lengte en tijd worden veranderlijk

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