Voorwoord

Het jaar 1905 wordt wel een Wunderjahr genoemd. Einstein leverde in dat jaar drie geweldige bijdragen aan de natuurkunde. Behalve de relativiteitstheorie verklaarde hij het foto-elektrisch effect. Een moderne toepassing daarvan vind je in een digitale fotocamera: op een sensor vallend licht maakt lading vrij. De hoeveelheid vrijgemaakte lading wordt per punt ('pixel') gemeten en als getal opgeslagen op een geheugenkaartje. Teruglezing van die getallen stelt een computer later in staat het beeld te reconstrueren. Einstein verklaarde dit foto-elektrisch effect door aan te nemen dat licht uit deeltjes, fotonen, bestaat. Voor deze prestatie kreeg hij later de Nobelprijs.

Ook in 1905 bewees hij, via berekeningen, dat materie écht uit kleine deeltjes bestaat. In de decennia voor 1905 was een deel van de natuurkundigen gaan twijfelen aan de realiteit van het bestaan van atomen. Door te rekenen aan de Brownse beweging, de willekeurige beweging die heel lichte deeltjes in een gas of vloeistof maken ten gevolge van de toevallige botsingen van de deeltjes van dat gas of die vloeistof (atomen), werd definitief bewezen dat de duizenden jaren oude aanname dat materie uit kleine deeltjes bestaat juist was.

De speciale relativiteitstheorie gaat over waarnemingen. Een aantal van die waarnemingen kunnen alleen maar in gedachte gedaan worden. Het gaat over treinreizigers die in treinen rijden met een snelheid van 100.000 km/s en soms ook nog eens met die snelheid door de trein rennen. We zullen zien dat die waarnemers zaken waarnemen waarvan je misschien nu nog zegt dat ze onmogelijk zijn - de tijd die voor de één langzamer loopt dan voor de ander bijvoorbeeld.

Mocht je denken dat reizigers die zich voortspoeden met 100.000 km/s niet bestaan, dan zie je de hele bevolking van de aarde over het hoofd. De aarde beweegt met dat soort enorme snelheden ten opzichte van verre sterren. Ook spelen deze snelheden een grote rol bij deeltjesversnellers - van tv's tot het CERN. In de echte waarnemingen die daar gedaan worden blijken alle voorspelde effecten van de relativiteitstheorie ook daadwerkelijk op te treden.

Door ervaringen uit het dagelijks leven en door wat je eerder leerde bij het vak natuurkunde heb je een intuïtie opgebouwd die je vertelt hoe de wereld in elkaar zit en wat je kunt verwachten over de uitkomst van experimenten. Die intuïtie vertelt je beslist niet dat een klok in de trein langzamer loopt voor een waarnemer op het perron dan voor de reiziger. En zeker niet dat de klok op het perron voor de reiziger langzamer loopt dan voor de man op het perron! Dit is geen ervaringsfeit uit het dagelijks leven: of je op het perron staat of in de trein zit, klokken blijven hetzelfde lopen, vinden we. Of ze dat echt doen, zou je door een meting moeten vaststellen – maar dan heb je wel klokken nodig die de tijd nauwkeuriger dan in secondes of zelfs milliseconden kunnen meten!

In de relativiteitstheorie komen we voortdurend de lichtsnelheid tegen. Met zijn reusachtige waarde van, afgerond, 300.000 km/s speelt die een centrale rol in de theorie. En 300.000 km/s is ook de snelheid van radargolven, het gps-signaal en nog veel meer. We zullen telkens zien dat de verrassende effecten alleen maar merkbaar zijn bij reizen met deze hele grote snelheden. Bij snelheden uit het dagelijks leven gaat de nieuwe theorie, inmiddels meer dan 100 jaar oud!, asymptotisch over in de bekende natuurkunde van alledag. Een hele geruststelling! We leren die natuurkunde dus niet voor niets!

Toch heeft relativiteitstheorie ook een direct belang voor ons bestaan. Het meest bekende resultaat van de theorie is zonder twijfel $$E=m\cdot c^2$$ Aan het eind van de module besteden we aan deze beroemde formule ruime aandacht. Ook kijken we naar een directe consequentie van de formule: energiewinning uit massaomzetting - hopelijk een bijdrage aan de oplossing van het huidige energieprobleem.

De relativiteitstheorie is geen theorie die je met je klompen kunt aanvoelen. Het gevoel in je klompen- dat is nu juist je intuïtie. We zullen daarom de theorie stap voor stap opzetten, waarbij het volgende steeds logisch volgt op het voorgaande.