Relativiteitstheorie VWO

VWO

Inhoud Relativiteitstheorie ............................................................................................................... 2 Waarnemingen verrichten ................................................................................................. 2 Relativiteitsprincipe van Galileo Galilei ............................................................................. 3 Het (tijd, plaats)-diagram...................................................................................................... 4 Iedereen kijkt naar Bobs raket .......................................................................................... 4 Het relativiteitsprincipe van Galilei en de snelheid van licht ................................................. 8 Einsteins aanname ........................................................................................................... 9 Het einde van gelijktijdigheid ....................................................................................... 10 Het einde van de eenvoud ........................................................................................... 11 Opgave: Grafisch bepalen van relatieve snelheid ........................................................ 12 Voorbeeld: Twee fietsers ............................................................................................. 15 Opgave: Enterprise NX-01 ........................................................................................... 16 Opgave: Fileparkeren, maar dan anders ..................................................................... 16 Het kan nog gekker ...................................................................................................... 17 Tijddilatatie en Lorentzcontractie .................................................................................... 20 Formule voor tijddilatatie .............................................................................................. 20 Formule voor de Lorentzcontractie .............................................................................. 21 Samenvatting ..................................................................................................................... 24 Opgaven ............................................................................................................................ 25 Opgave: De ladder en de schuur ................................................................................. 25 Opgave: Muonen ......................................................................................................... 26 Opgave: Proxima Centauri........................................................................................... 27 Eigentijd en eigensnelheid ................................................................................................. 28 Ruimtetijd ........................................................................................................................... 28 De vierde dimensie ......................................................................................................... 28 Minkowski-ruimte ......................................................................................................... 31 Impulsbehoud ................................................................................................................. 34 Eigenimpuls ................................................................................................................. 34 Massa en energiebehoud .................................................................................................. 39 Relativistische massa ..................................................................................................... 41 Opgave: Relativistisch versus niet-relativistisch .......................................................... 42 Opgave: Deeltjesversneller .......................................................................................... 42 Opgave: Radioactief verval .......................................................................................... 42 Samenvatting ..................................................................................................................... 43 Lorentztransformatie .......................................................................................................... 43 Formules voor Lorentztransformatie ............................................................................... 44 Algemene relativiteitstheorie .............................................................................................. 46 Een tipje van de sluier..................................................................................................... 46 BIJLAGE: Behoud van vierdimensionale impulsvector. ..................................................... 49

Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

1/56

VWO

Relativiteitstheorie De relativiteitstheorie van Albert Einstein (1879 – 1955) bestaat eigenlijk uit twee stukken. In 1905 publiceerde Einstein het deel dat tegenwoordig de speciale relativiteitstheorie wordt genoemd en in 1915 publiceerde Einstein het tweede stuk dat tegenwoordig de algemene relativiteitstheorie wordt genoemd. De speciale relativiteitstheorie is geldig als de zwaartekracht buiten beschouwing kan worden gelaten. De algemene relativiteitstheorie is ook geldig als de zwaartekracht niet buiten beschouwing kan worden gelaten. De speciale relativiteitstheorie kan zonder problemen uit de algemene relativiteitstheorie worden afgeleid. In deze module gaan we ons voornamelijk bezig houden met de speciale relativiteitstheorie. Waarnemingen verrichten In het kader van deze module zal veel gebruik worden gemaakt van de term waarnemer. Het is belangrijk om meteen vanaf het begin even goed stil te staan bij wat met waarnemer wordt bedoeld. De term waarnemer is in dit kader namelijk iets algemener dan wat je misschien zou verwachten. Met een waarnemer wordt niet één persoon of één meetinstrument bedoeld. Met een waarnemer wordt een compleet assenstelsel bedoeld. Om in een driedimensionale ruimte gebeurtenissen te beschrijven wordt gebruik gemaakt van een assenstelsel. Je kent uit de wiskunde het (x,y,z)-assenstelsel zoals weergegeven in nevenstaande afbeelding. Door zo’n assenstelsel te kiezen (een oorsprong en drie loodrecht op elkaar staande richtingen) kan bijvoorbeeld de baan van een kogel worden beschreven door voor elk tijdstip de coördinaten van de kogel te registreren. Een waarnemer is nu als volgt gedefinieerd: Een waarnemer is een (x,y,z)-assenstelsel met op elk punt een denkbeeldig meetstation dat waarnemingen kan verrichten. Als een kogel een baan beschrijft passeert deze kogel de denkbeeldige meetstations. De meetstations registreren op het moment van passeren de exacte tijd. Door vervolgens alle meetstations uit te lezen weet je exact wanneer de kogel zich waar bevond. De kern van deze definitie van waarnemer is dat je geen last hebt van looptijden van signalen. De registratie van een gebeurtenis vindt onmiddellijk plaats. Het uitlezen van de registratie kan achteraf gebeuren. Je zult een gebeurtenis dus nooit later registreren dan dat deze daadwerkelijk heeft plaatsgevonden louter en alleen omdat bijvoorbeeld het licht tijd nodig heeft om je ogen te bereiken.


2/56

VWO Relativiteitsprincipe van Galileo Galilei Stel je de volgende situatie eens voor: Je bevindt je aan boord van een schip. Het is vrijwel donker. Je kunt geen maan, wolken of oever zien. Je staat aan de reling en kijkt naar het water. Op een gegeven moment zie je een stuk plastic voorbij drijven. Je kunt je afvragen of het stuk plastic aan het schip voorbij drijft of dat het schip aan het stuk plastic voorbij vaart. Kun je met zekerheid zeggen of het schip voor anker ligt (en dus stil staat) en het stuk plastic met een stroming van het water beweegt of dat het omgekeerde het geval is en het stuk plastic stil ligt op niet stromend water en het schip beweegt? Volgens Galileo Galilei is het niet mogelijk om dit met zekerheid te zeggen. Anders geformuleerd: Stel je bevindt je in een afgesloten cabine zonder vensters. Als je wilt bewijzen dat de cabine een versnelde of vertraagde beweging uitvoert dan is dat gemakkelijk aan te tonen met behulp van een glas water. Staat het wateroppervlak niet waterpas dan voert de cabine een versnelde of vertraagde beweging uit. Als je wilt bewijzen dat de cabine met een constante snelheid beweegt (of stil staat) dan is dat niet mogelijk. Het relativiteitsprincipe van Galileo Galilei zegt dan ook: Iedere waarnemer die ten opzichte van een andere waarnemer met constante snelheid beweegt zal bij het doen van experimenten dezelfde natuurwetten en dezelfde natuurconstanten vinden. Met andere woorden: Als een waarnemer onmogelijk kan aantonen of en met welke snelheid hij beweegt dan moet het voor de natuurwetten en natuurconstanten ook niet uitmaken. Assenstelsels van waarnemers die met constante snelheid ten opzichte van elkaar bewegen worden inertiaalstelsels genoemd. Het relativiteitsprincipe van Galileo Galilei luidt dan: De natuurwetten en natuurconstanten zijn in alle inertiaalstelsels gelijk.


3/56

VWO

Het (tijd, plaats)-diagram De speciale relativiteitstheorie kan geheel worden afgeleid op basis van (tijd, plaats)diagrammen. Zonder afbreuk te doen aan de algemene geldigheid van wat we gaan afleiden reduceer ik de discussie van drie dimensies naar één dimensie, oftewel we kijken alleen naar bewegingen op de x-as. Eigenlijk is de speciale relativiteitstheorie daarmee, in tegenstelling tot de algemene relativiteitstheorie, wiskundig gezien niet zo lastig. Allereerst een paar afspraken: • Het is in dit vakgebied gebruikelijk om de tijd op de verticale as te zetten en de plaats op de horizontale as. • Daarnaast is het in dit vakgebied gebruikelijk om de tijd uit te drukken in de eenheid meter. Vind je dit vreemd? De omgekeerde variant van deze eenheid ken je waarschijnlijk al lang. In de astronomie worden afstanden namelijk uitgedrukt in tijd. De eenheid lichtjaar is de afstand die licht aflegt in één jaar tijd. Naar analogie is één meter tijd de tijd die licht nodig heeft om een afstand van één meter af te leggen. Door dit te doen is de lichtsnelheid gelijk aan 1 en wel exact en zonder eenheid! Ga dit na! Overigens zijn alle snelheden dimensieloos zodra de tijd wordt uitgedrukt in de eenheid meter. Iedereen kijkt naar Bobs raket Bob lanceert een raket. De raket voert een eenparige rechtlijnige beweging uit ver weg van planeten en sterren zodat de zwaartekracht buiten beschouwing kan worden gelaten. Een waarnemer die stil staat ten opzichte van Bob neemt de beweging van de raket als functie van de tijd waar. Met onze iets algemenere definitie van waarnemer betekent dat dus dat de denkbeeldige meetstations van het assenstelsel van de waarnemer registreren wanneer de raket voorbij komt. Op die manier ontstaat de lijn zoals deze staat weergegeven in nevenstaand (t,x)-diagram. Het punt in het (t,x)-diagram waarop de raket wordt gelanceerd heet een gebeurtenis. De lijn in het (t,x)-diagram heet de wereldlijn van de raket. In dit document zal het assenstelsel dat stil staat ten opzichte van de gebeurtenis (het zogenaamde ruststelsel) altijd worden weergegeven in de kleur blauw. Personen die met dit assenstelsel meebewegen en met dit assenstelsel hun waarnemingen uitvoeren hebben een naam die begint met B (van blauw assenstelsel). Hoe neemt een tweede waarnemer, die met constante snelheid beweegt ten opzichte van de eerste waarnemer, de beweging van de raket waar?


4/56

VWO Eerst zoals je dat gewend bent: Je kunt in bovenstaand diagram zien dat Bob de raket naar rechts heeft gelanceerd met een snelheid van +2/ 3 , want v = Δx/Δt = 2 eenheden plaats/3 eenheden tijd = 2/ 3 . Stel de tweede waarnemer beweegt met een snelheid van +1/ 3 naar rechts ten opzichte van de eerste waarnemer. De tweede waarnemer zou de raket dan met een snelheid van 2/ 3 – 1/ 3 = +1/ 3 naar rechts moeten zien bewegen ten opzichte van zijn eigen assenstelsel. Kunnen we het assenstelsel van de tweede waarnemer construeren?

Om dit te kunnen doen moeten we ons eerst afvragen hoe een assenstelsel objectief kan worden geconstrueerd. De verticale roosterlijnen van een (t,x)-diagram zijn lijnen van gelijke plaatst. Verdeel de x-as in gelijke stukken, zoals weergegeven in nevenstaande afbeelding, zodat de roosterpunten op de x-as worden verkregen. Je zou je de verticale roosterlijnen kunnen voorstellen als de wereldlijnen van voorwerpen die op de roosterpunten liggen. Een voorwerp dat op t = 0 op x = 1 ligt zal op elk ander tijdstip ook op x = 1 liggen zodat er een verticale lijn door x = 1 ontstaat. Dit geldt ook voor x = 2, x = 3 enz.. Op deze wijze kun je de verticale roosterlijnen construeren. Zie nevenstaande afbeelding.

De horizontale roosterlijnen van een (t,x)-diagram zijn lijnen van gelijke tijd. Verdeel de t-as in gelijke stukken, zoals weergegeven in nevenstaande afbeelding, zodat de roosterpunten op de t-as worden verkregen. Om nu de horizontale roosterlijnen objectief te kunnen construeren moet je je afvragen hoe twee personen die zich op verschillende plaatsen bevinden hun klokken op een objectieve manier gelijk kunnen zetten en wel zonder dat ze elkaar ontmoeten. Hoe kan iemand die zich op een willekeurige afstand x bevindt zijn klok gelijk zetten met iemand die zich op x = 0 bevindt?


5/56

VWO Dit is niet zo moeilijk als het lijkt. Stel Bob staat in x = 0 en zendt op tijdstip t = a een lichtpuls uit richting Bianca die zich op een afstand x bevindt. Bianca heeft een spiegel waarmee zij de lichtstraal terugkaatst richting Bob. Als Bob zijn lichtpuls uitzendt op t = a en deze terugontvangt op tijdstip t = c, dan zal Bianca de lichtpuls hebben ontvangen op tijdstip t = b = ½∙c. Op deze manier kun je de horizontale roosterlijn voor t construeren, want tijdstip t = b is met zekerheid gelijktijdig met tijdstip t = d. Als Bob en Bianca hun klokken willen synchroniseren dan zal Bianca haar klok op 0 moeten zetten op het moment dat zij de lichtpuls ontvangt en Bob zal het tijdstip halverwege tussen zenden en ontvangen van de lichtpuls t = 0 moeten noemen. Op deze manier kun je alle klokken van het blauwe assenstelsel synchroniseren en krijg je het nevenstaande diagram.

Een assenstelsel dat op deze objectieve manier wordt geconstrueerd geeft logische waarnemingen. Dit is precies wat je gewend bent en misschien vraag je je nu af waarom dat zo omslachtig moet……. geduld. We maken kleine stapjes. Zorg dat je elk stapje snapt, zodat je straks niet het gevoel hebt dat ik je ergens voor de gek heb gehouden. Elk stapje is volkomen logisch, dat geldt echter niet voor de onvermijdelijke conclusies. Terug naar de oorspronkelijke vraag: Kunnen we het assenstelsel van de tweede waarnemer construeren?


6/56

VWO In nevenstaande afbeelding staat het assenstelsel voor waarnemer 1, die stil staat ten opzichte van Bob, weergegeven in de kleur blauw. De “verticale” roosterlijnen voor het assenstelsel van waarnemer 2 zijn de wereldlijnen van de roosterpunten op de t = 0-as. Zie nevenstaande afbeelding. Je ziet dat de roosterlijnen corresponderen met een snelheid van +1/ 3 , want v =Δx/Δt = 1 eenheid plaats/3 eenheden tijd = +1/ 3 .

In dit document zal het assenstelsel van een waarnemer die beweegt ten opzichte van een stilstaande waarnemer altijd worden weergegeven in de kleur rood. Personen die met dit assenstelsel meebewegen en met dit assenstelsel hun waarnemingen uitvoeren hebben een naam die begint met R (van rood assenstelsel). De “horizontale” roosterlijnen kun je vinden met eenzelfde redenering als zojuist. Robin bevindt zich op x = 0 in het bewegende assenstelsel en stuurt een lichtpuls naar Rebecca die zich op een afstand x in het bewegende assenstelsel bevindt. Rebecca reflecteert de lichtpuls terug naar Robin. In nevenstaande afbeelding staat de wereldlijn van de lichtpuls getekend. Als Robin de lichtpuls op pad stuurt zal Bob deze lichtpuls met een snelheid van c + 1/ 3 c = 4/ 3 c naar rechts zien bewegen. Op het moment dat Rebecca de lichtpuls terug naar Robin reflecteert zal Bob deze lichtpuls met een snelheid van c – 1/ 3 c = 2/ 3 c naar links zien bewegen. Dit is precies wat in nevenstaande afbeelding staat weergegeven. Volgens Robin zal tijdstip b gelijktijdig zijn met tijdstip d. Daarmee is het assenstelsel voor de bewegende waarnemer 2 gevonden, zie nevenstaande afbeelding.

Terug naar de oorspronkelijke vraag: Hoe neemt een tweede waarnemer, die met constante snelheid beweegt ten opzichte van de eerste waarnemer, de beweging van de raket waar?


7/56

VWO De groene lijn in nevenstaande afbeelding geeft de wereldlijn van de raket weer. Gezien vanuit het blauwe assenstelsel heeft de raket een snelheid van +2/ 3 , want v =Δx/Δt = 2 eenheden plaats/3 eenheden tijd = +2/ 3 . Gezien vanuit het rode assenstelsel heeft de raket een snelheid van +1/ 3 , want v =Δx/Δt = 1 eenheid plaats/3 eenheden tijd = +1/ 3 . Dit is precies wat je verwacht.

Het relativiteitsprincipe van Galilei en de snelheid van licht Het relativiteitsprincipe van Galilei zegt dat natuurconstanten en natuurwetten gelijk zijn voor waarnemers die met constante snelheid ten opzichten van elkaar bewegen. Rond 1865 formuleerde James Clerk Maxwell (1831 – 1879) zijn wetten voor het gedrag van elektromagnetische velden. Licht is een elektromagnetische golf en daarmee wordt het gedrag van licht dus ook beschreven door deze wetten. Zonder op de details van de Maxwellvergelijkingen in te gaan pikken we één resultaat eruit. Volgens de Maxwellvergelijkingen voldoet de snelheid van lichtgolven namelijk aan onderstaand verband: 1 ε0 ∙ µ0 ∗ ε0 = 8,8541878176 ∙ 10−12 F/m (elektrische permittiviteit van vacuüm) (magnetische permeabiliteit van vacuüm) ∗ µ0 = 4π ∙ 10−7 N/A2 8 ⇒ c = 2,99792458 ∙ 10 m/s ⇒ c = 1 als je de tijd uitdrukt in de eenheid meter c=

Een leuk elegant resultaat. De lichtsnelheid die uit deze berekening volgt is precies die die ook daadwerkelijk gemeten is. Er is echter een probleem. Zowel ε 0 als µ 0 ,die eigenschappen van het vacuüm vertegenwoordigen, zijn natuurconstanten en daarmee is ook de lichtsnelheid een natuurconstante! Voel je al nattigheid? Volgens het relativiteitsprincipe van Galilei zou elke waarnemer die met een constante snelheid ten opzichte van een andere waarnemer beweegt dezelfde waarde voor de lichtsnelheid moeten vinden.


8/56

VWO Terug naar Bob en zijn raket. Bob, Robin en Rebecca gaan een experiment uitvoeren. Robin en Rebecca bewegen met een snelheid van +1/ 3 ten opzichte van Bob. Robin stuurt een lichtpuls naar Rebecca.

Robin en Rebecca bepalen de snelheid van de lichtpuls ten opzichte van hun assenstelsel. Bob ziet diezelfde lichtpuls vanuit zijn assenstelsel en bepaalt eveneens de snelheid van de lichtpuls zoals hij die waarneemt vanuit zijn stilstaande assenstelsel. Robin en Rebecca staan stil ten opzichte van de laser die de lichtpuls uitzendt en vinden de waarde 1 voor de snelheid van de lichtpuls. Als de lichtpuls met een snelheid van 1 beweegt ten opzichte van Robin en Rebecca en Robin en Rebecca met een snelheid van +1/ 3 bewegen ten opzichte van Bob, dan zou je verwachten dat Bob een waarde van +4/ 3 vindt voor de snelheid van de lichtpuls. Volgens het relativiteitsprincipe zou Bob echter ook de waarde 1 moeten vinden voor de snelheid van die lichtpuls! Wat klopt er niet?

Dit is het dilemma dat Einstein ook zag. Hij kon toen kiezen, of het relativiteitsprincipe van Galilei klopt niet of de Maxwellvergelijkingen kloppen niet. In 1887 hebben Albert Michelson en Edward Morley een experiment uitgevoerd waarmee zij tot hun grote verbazing vonden dat de lichtsnelheid inderdaad onafhankelijk was van de beweging van de waarnemer. Als je meer wilt weten over dit experiment kijk dan eens naar de informatie op de site onder nevenstaande link: link naar site. Of kijk eens naar het youtube-filmpje onder nevenstaande link: link naar filmpje. Einsteins aanname Einstein heeft toen, zoals een genie betaamt, een derde oplossing verzonnen. Hij heeft ervoor gekozen om te kijken wat het betekent als beide theorieën juist zijn. Dus de Maxwellvergelijkingen kloppen, maar ook het relativiteitsprincipe klopt. Als beide theorieën kloppen, welke aannames kloppen dan niet? De grootheid snelheid is gedefinieerd als: v=

Δx Δt

Dat geldt ook voor licht. Dus als je voor licht steeds dezelfde waarde voor de lichtsnelheid moet vinden dan moet er iets met Δx en/of Δt aan de hand zijn. Klopt er iets niet met onze assenstelsels?


9/56

VWO Het einde van gelijktijdigheid Er is niets in te brengen tegen de methode waarmee we het blauwe en het rode assenstelsel hebben geconstrueerd, behalve de waarde van de lichtsnelheid die we hebben gehanteerd. Op bladzijde 7 hebben we de “horizontale” roosterlijnen geconstrueerd door Robin een lichtpuls naar Rebecca te laten sturen, waarna Rebecca die lichtpuls met een spiegel terugkaatst naar Robin. We zijn er toen van uitgegaan dat Bob de lichtpuls met een snelheid van +4/ 3 van Robin naar Rebecca zag gaan en met een snelheid van -2/ 3 van Rebecca naar Robin zag gaan. Dit zouden we dus anders moeten doen.

We doen dezelfde constructie nog een keer maar nu met het uitgangspunt dat de lichtsnelheid altijd 1 is. De constructie staat weergegeven in nevenstaande afbeelding. Het veranderde uitgangspunt van constante lichtsnelheid heeft geen invloed op de richting van de “verticale” roosterlijnen. De richting van de “horizontale” roosterlijnen verandert echter wel.

Het assenstelsel voor waarnemer 2, die met een snelheid van +1/ 3 beweegt ten opzichte van waarnemer 1, ziet er dus uit zoals weergegeven in nevenstaande afbeelding.

OK, leuk,


so what……….

10/56

VWO Bianca schiet twee vuurpijlen af. Vuurpijl 1 bevindt zich op t = 0 op x = 3 en vuurwerkpijl 2 bevindt zich op t = 0 op x = 6. Op tijdstip t = 3 ontsteekt Bianca beide vuurpijlen gelijktijdig. Rebecca die met een constante snelheid van +1/ 3 beweegt ten opzichte van Bianca, neemt het ontsteken van de beide vuurpijlen waar. Haar assenstelsel registreert dat vuurpijl 1 werd ontstoken op t = 2 en dat vuurpijl 2 werd ontstoken op t = 1. Volgens haar werden de vuurwerkpijlen dus niet gelijktijdig ontstoken. Ter herinnering: de denkbeeldige meetstations in het assenstelsel van Rebecca doen het registreren ter plekke en ogenblikkelijk. Rebecca constateert achteraf bij het uitlezen dat de geregistreerde tijden niet gelijk zijn. DIT IS DUS GEEN GEVOLG VAN LOOPTIJDEN VAN SIGNALEN!! Het feit dat de lichtsnelheid onafhankelijk is van de waarnemer betekent dus dat gelijktijdigheid van gebeurtenissen waarnemerafhankelijk wordt! Het einde van de eenvoud In ons eerste gedachtenexperiment lanceerde Bob een raket met een snelheid van +2/ 3 . We vroegen ons toen af hoe een waarnemer die met een constante snelheid van +1/ 3 beweegt ten opzichte van Bob de raket waarnam. We vonden de waarde 2/ 3 – 1/ 3 = +1/ 3 en vonden dat volkomen logisch. Verandert dit nu de assen veranderd zijn? In nevenstaande afbeelding staat de wereldlijn van de raket weergegeven in het blauwe assenstelsel van Bob zoals dat in het oorspronkelijke diagram op bladzijde 8 ook is gedaan. Nu staat echter het correcte rode assenstelsel van Robin en Rebecca weergegeven. De snelheid die zij in het rode assenstel vinden is niet +1/ 3 maar +3/ 7 ! Het feit dat de lichtsnelheid onafhankelijk is van de waarnemer heeft dus ook consequenties voor de manier waarop we snelheden moeten optellen.

Tot nu toe hebben we relatieve snelheden simpelweg berekend door de snelheden bij elkaar op te tellen of van elkaar af te trekken. Bijvoorbeeld: Een raket vliegt met een snelheid van 0,8 naar rechts. Een tweede raket nadert van achteren met een snelheid van 0,9. Hoe snel ziet een astronaut van de voorste raket de achterste dichter bij komen? Tot nu toe zou je zeggen: “Met een snelheid van 0,1.” Dit kan dus niet kloppen! Hoe bereken je relatieve snelheden? Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

11/56

VWO Voordat we relatieve snelheden gaan berekenen gaan we eerst eens oefenen relatieve snelheden grafisch te bepalen. Opgave: Grafisch bepalen van relatieve snelheid Robin en Rebecca bewegen met een snelheid van +1/ 2 ten opzichte van Bob. Robin en Rebecca nemen een raket waar die met een snelheid van +1/ 4 beweegt ten opzichte van hun assenstelsel. In onderstaande afbeelding staat het assenstel van Bob weergegeven in blauw. Werk bij onderstaande constructies nauwkeurig (bij voorkeur met een fijnschrijver) dan krijg je gemakkelijk afleesbare breuken uit. a) Construeer in onderstaande afbeelding het assenstelsel van Robin en Rebecca in rood. b) Teken met potlood de wereldlijn van de raket en bepaal daarmee de snelheid van de raket zoals Bob die waarneemt in zijn assenstelsel.

Als de relatieve snelheid niet meer simpelweg de optelsom van de originele snelheden is, hoe moet je de relatieve snelheid dan wel berekenen? De rekenklus is niets anders dan spelen met gelijkvormige driehoeken en een beetje balansmethode.


12/56

VWO In nevenstaande afbeelding zijn de driehoeken ABC en PQR gelijkvormig. Op basis van deze gelijkvormigheid geldt dat de verhoudingen tussen elk van de corresponderende zijden gelijk moeten zijn. Dat geeft onderstaande relatie: P Q R = = A B C

Voordat we verder gaan, even een paar afspraken. • v staat voor de snelheid waarmee het bewegende assenstelsel beweegt ten opzichte van het stilstaande assenstelsel. • u staat voor een snelheid gemeten ten opzichte van het blauwe assenstelsel. • u’ staat voor een snelheid gemeten ten opzichte van het rode assenstelsel. • t voor de tijd gemeten in het blauwe assenstelsel • t’ voor de tijd gemeten in het rode assenstelsel. In het algemeen hebben grootheden met een ’ betrekking op het bewegende assenstelsel. Voor de verschillende zijden van de driehoeken kan onderstaande worden gezegd: ∗ A = v ∙ t1

∗ B = c ∙ t1 ∗ C = c ∙ t′

∗ R = u′ ∙ t ′

Zijde A correspondeert met coördinaat x in blauwe assenstelsel. Dus x = v∙t = v∙t 1 Zijde B correspondeert met coördinaat t in blauwe assenstelsel. Dus t = t 1 en t = c∙t 1 als je t uitdrukt in meter. Zijde C correspondeert met coördinaat t in rode assenstelsel. Dus t = t‘ en t = c∙ t‘ als je t uitdrukt in meter. Zijde R correspondeert met coördinaat x in rode assenstelsel. Dus x = u’∙t’

Door deze waarden in te vullen in bovenstaande relatie krijgen we: P Q u′ ∙ t ′ = = v ∙ t1 c ∙ t1 c ∙ t′

Dit reduceert tot uitdrukkingen voor de onbekenden P en Q. P u′ ∙ t ′ u′ = = v ∙ t1 c ∙ t′ c Q u′ ∙ t ′ u′ = = c ∙ t1 c ∙ t′ c


⇒

P=

⇒

Q=

u′ ∙ v ∙ t1 c u′ ∙ c ∙ t1 c

13/56

VWO In nevenstaande afbeelding staat de driehoek KLM weergegeven. Voor de zijden van deze driehoek in relatie tot de zijden van de vorige twee driehoeken geldt: K= A+Q L=B+P

Voor de verschillende zijden van deze driehoek kan onderstaande worden gezegd: ∗ K = u ∙ t2 ∗ L = c ∙ t2

Zijde K correspondeert met coördinaat x in blauwe assenstelsel. Dus x = v∙t = v∙t 2 Zijde L correspondeert met coördinaat t in blauwe assenstelsel. Dus t = t 2 en t = c∙t 2 als je t uitdrukt in meter.

Door de gevonden uitdrukkingen voor K, L, P en Q te combineren volgt het onderstaande resultaat: u′ 1) u ∙ t 2 = v ∙ t1 + ∙ c ∙ t1 c u′ 2) c ∙ t 2 = c ∙ t1 + ∙ v ∙ t1 c

tevens geldt:

P u′ t 2 = t1 + = t1 + 2 ∙ v ∙ t1 c c

Bij deze laatste regel even uitkijken. t is in seconden uitgedrukt. P is echter in meter uitgedrukt. Vandaar dat er staat +P/c en niet +P. Door te delen door c wordt P omgerekend naar seconden.

Nu is het eenvoudig om een formule voor het berekenen van de relatieve snelheid op te stellen door de uitdrukking voor t 2 te substitueren in vergelijking 1). u′ u′ u ∙ �t1 + 2 ∙ v ∙ t1 � = v ∙ t1 + ∙ c ∙ t1 c c u′ v ∙ t1 + c ∙ c ∙ t1 v + u′ ⇒u= = u′ u′ ∙ v t1 + 2 ∙ v ∙ t1 1+ 2 c c


14/56

VWO Je ziet dat voor snelheden die klein zijn ten opzichte van de lichtsnelheid de noemer van de vergelijking 1 wordt en dan staat er weer het oude bekende resultaat. Pas als de snelheden niet meer verwaarloosbaar klein zijn ten opzichte van de lichtsnelheid gaat de regel voor het optellen van relatieve snelheden zoals je die uit je dagelijkse ervaring kent niet meer op. Omdat mensen eeuwenlang geen praktische ervaring hebben gehad met dingen die zo’n grote snelheid hebben is deze bijzonderheid nooit opgevallen. Voorbeeld: Twee fietsers Je fiets met 8,0 m/s naar rechts en probeert een vriend in te halen die een eindje voor je fiets met een snelheid van 5,0 m/s naar rechts fiets. Op een gegeven moment kijkt je vriend om en ziet jou naderen. Met welke snelheid zie hij jou naderen? De gevraagde snelheid is u’ want jouw vriend wil de snelheid weten gezien vanuit zijn bewegend assenstelsel. De snelheid van het bewegende assenstelsel ten opzichte van een stilstaand assenstelsel is de snelheid van jou vriend, dus v = 5 m/s. Jouw snelheid is eveneens ten opzichte van dit stilstaande assenstelsel, dus u = 8 m/s. v + u′ u′ ∙ v 1+ 2 c 5,0 + u′ ⇒ 8,0 = u′ ∙ 5,0 1+ (3 ∙ 108 )2 ⇒ u′ = 3,0 + 4,4 ∙ 10−16 m/s

u=

Je ziet dat het gewoon 3,0 m/s is, precies wat je uit je dagelijkse ervaring weet.

Terug naar de oorspronkelijke vraag. Bob had een raket gelanceerd met een snelheid van +2/ 3 . Het assenstelsel met Robin en Rebecca bewoog met een snelheid van +1/ 3 in dezelfde richting als de raket. Hoe bereken je relatieve snelheden?

Op bladzijde 11 hadden we grafisch een snelheid van +3/ 7 gevonden.


15/56

VWO Met de formule vinden we v + u′ u′ ∙ v 1+ 2 c 1 + u′ 2 3 ⇒ = 1 3 u′ ∙ 3 1+ 2 1 3 ⇒ u′ = 7

u=

De formule geeft dus precies het resultaat dat we op basis van onze grafische redenering al hadden verwacht. Je ziet dat, zodra de noemer in de formule niet meer zo goed als 1 is, de formule wel degelijk afwijkt van wat je gewend bent. Dit treedt op als de snelheden niet meer verwaarloosbaar klein zijn ten opzichte van de lichtsnelheid. Een andere bijzonderheid van de gevonden formule voor relatieve snelheden is dat c + c nog steeds c is. u=

2c c+c = =c c∙c 2 1+ 2 c

Opgave: Enterprise NX-01 Een vijandig wezen aan boord van de Enterprise probeert aan kapitein Archer en zijn bemanning te ontsnappen. Hiertoe gaat het wezen aan boord van een shuttle en vertrekt met een snelheid 3/ 4 . Het wezen ziet dat de bemanning van de Enterprise een van de zware lasers op hem richt. Daarom laat hij zich wegschieten van zijn shuttle met een snelheid 1/ 2 . Het wezen heeft blijkbaar geen verstand van relativiteitstheorie. Toon aan dat het wezen toch geraakt gaat worden door de laser. Opgave: Fileparkeren, maar dan anders Een ruimtesonde beweegt met een snelheid van 4/ 5 naar links en een tweede ruimtesonde een eindje verderop beweegt eveneens naar links, maar met een snelheid van 3/ 5 . Een astronaut wil een ruimteschip tussen de beide ruimtesondes positioneren zodat hij de beide ruimtesondes met dezelfde snelheid ziet naderen. Bereken de snelheid die het ruimteschip moet hebben. De drie snelheden van 4/ 5 , 3/ 5 en de v van het ruimteschip zijn alle drie ten opzichte van een ruststelsel dat in het heelal hangt. Hint: • Bedenk dat de snelheid van de ene ruimtesonde even groot maar tegengesteld is aan de snelheid van de andere ruimtesonde gezien vanuit het assenstelsel van het ruimteschip. Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

16/56

VWO • Je dient twee vergelijkingen op te stellen en vervolgens dit stelsel op te lossen. We hebben twee veronderstellingen gemaakt, namelijk: • Het relativiteitsprincipe van Galilei is geldig en • Maxwell heeft gelijk wat betreft zijn formule voor de lichtsnelheid. Daarmee is de lichtsnelheid onafhankelijk van de waarnemer. Tot nu toe hebben we al twee gevolgen gezien van deze uitgangspunten. • Het gelijktijdig plaatsvinden van gebeurtenissen is blijkbaar afhankelijk van de waarnemer. • Relatieve snelheden kun je niet op de gebruikelijk manier berekenen zodra de snelheden niet meer verwaarloosbaar klein zijn ten opzichte van de lichtsnelheid. Zijn er nog meer gevolgen? Het kan nog gekker Volgens Bob en Bianca zijn gebeurtenissen 1 en 2 gelijktijdig. Volgens Robin en Rebecca is gebeurtenis 2 echter gelijktijdig met gebeurtenis 3. Tot nu toe heb ik steeds gesproken van zoveel eenheden plaats en zoveel eenheden tijd. Ik heb nog niets gezegd over de schaalverdeling op de beide assen. Wat is het verband tussen t 1 , t 2 en t 3 ? Er zit een bepaalde factor tussen de schalen van de beide assenstelsels. Deze factor noemen we de Lorentzfactor γ. t1 = γ ∙ t ′2

Op basis van symmetrieoverwegingen moet in beide richtingen gezien dezelfde factor gelden. Robin en Rebecca kunnen zichzelf namelijk als stilstaand beschouwen en van mening zijn dat Bob en Bianca met een snelheid van -1/ 3 naar links bewegen. Er geldt dus: t ′2 = γ ∙ t 3

Hieruit volgt door substitutie ⇒ t1 = γ ∙ t ′2 = γ ∙ (γ ∙ t 3 ) = γ2 ∙ t 3

Dus t 1 = γ2∙ t 3

Je ziet meteen in bovenstaande afbeelding dat t 1 > t 3 want beide klokken zijn van het blauwe assenstelsel. Dat betekent dat γ groter is dan 1. Probleem?


17/56

VWO


18/56

VWO Dat betekent dat de klokken van het bewegende assenstelsel langzamer lopen dan die in het stilstaande assenstelsel!! De snelheid waarmee de tijd verstrijkt is dus niet, zoals je tot nu waarschijnlijk dacht, overal gelijk, maar afhankelijk van de waarnemer. Bob en Bianca kunnen de klokken van het blauwe assenstelsel synchroniseren. Robin en Rebecca kunnen de klokken van het rode assenstelsel synchroniseren. Bob en Bianca, en Robin en Rebecca kunnen echter maar op één moment de klokken van de beide assenstelsels synchroniseren. Daarna lopen ze dus meteen weer uit pas, want voor de klokken van het rode assenstelsel verstrijkt de tijd langzamer. De tijd is blijkbaar een heel merkwaardige grootheid. Niet alleen gelijktijdigheid van gebeurtenissen is afhankelijk van de waarnemer, ook het tempo waarin de tijd verstrijkt is afhankelijk van de waarnemer. Totdat Einstein met zijn relativiteitstheorie kwam dacht men dat overal in het heelal dezelfde tijd gold. Alle klokken konden worden gesynchroniseerd en zouden dan voor eeuwig gesynchroniseerd blijven, ongeacht de beweging die de waarnemer uitvoert. Gebeurtenissen die gelijktijdig waren voor de ene waarnemer zouden dat voor alle andere waarnemers ook zijn. Blijkbaar is dat dus niet zo. We waren begonnen met ons af te vragen wat er niet klopte met Δx en/of Δt in de definitie van snelheid zodat we voor de lichtsnelheid altijd dezelfde waarde zouden vinden, onafhankelijk van de waarnemer. v=

Δx Δt

Met Δt is dus blijkbaar iets bijzonders aan de hand. Hoe zit het dan met Δx?

Tot nu toe hebben we de raket als punt beschouwd. Nu gaan we eens kijken naar de lengte van de raket. In nevenstaand diagram zijn de wereldlijnen van de voorkant en achterkant van de raket weergegeven in groen. Cruciaal om je te realiseren is dat een lengtemeting het registreren van twee plaatsen inhoudt. Als je de lengte van iets meet met bijvoorbeeld een rolmaat dan registreer je de positie van de voorkant en de achterkant en wel tegelijkertijd. Je mag niet eerst de voorkant meten, het voorwerp verplaatsen en dan de achterkant meten. Op tijdstip t = 3 voeren Bob en Bianca hun lengtemeting uit. Zij registreren tegelijkertijd de posities van de voorkant en de achterkant van de raket. Voor hen is de lengte van de raket gelijk aan x 2 -x 1 . Robin en Rebecca registeren eveneens tegelijkertijd de posities van de voorkant en de achterkant van de raket. Voor hen is de lengte van de raket gelijk aan x3′ − x1′ . In het bovenstaande diagram is duidelijk te zien dat het lijnstuk x 2 -x 1 korter is dan het lijnstuk x3′ − x1′ ! Met andere woorden voor Bob en Bianca is de raket minder lang dan voor Robin en Rebecca. Blijkbaar krimpen voorwerpen die bewegen (in de richting waarin ze bewegen).


19/56

VWO Tijddilatatie en Lorentzcontractie Als een waarnemer een, ten opzichte van hem, bewegend assenstelsel waarneemt dan zal hij constateren dat de tijd in dit bewegende assenstelsel langzamer gaat en de afstanden zijn gekrompen. We spreken van tijddilatatie respectievelijk Lorentzcontractie. Grafisch hebben we beide fenomenen reeds bestudeerd. Nu gaan we op zoek naar formules om uit te rekenen hoe de beide fenomenen afhangen van de snelheid van het bewegende assenstelsel. Formule voor tijddilatatie Om de formule voor de tijddilatatie te vinden maken we gebruik van een zogenaamde lichtklok. Een lichtklok is een heel eenvoudige klok gebaseerd op een lichtpuls die tussen twee spiegels wordt weerkaatst. In nevenstaande afbeelding staat zo’n lichtklok schematisch weergegeven. Een lichtpuls gaat verticaal op en neer tussen twee spiegels die zich, evenwijdig aan elkaar, op een afstand h van elkaar bevinden. De tijd die verstrijkt gedurende één puls (één heen en teruggaande beweging van de lichtpuls) op deze klok voldoet aan: t=

2h c

t′ =

2h c

Robin en Rebecca hebben in hun assenstelsel zo’n lichtklok. Robin registreert de tijd die zijn lichtklok weergeeft en vindt:

Bianca meet met haar eigen lichtklok eveneens de tijd die de lichtklok van Robin en Rebecca weergeeft. Bianca neemt de lichtpuls waar die tussen de beide spiegels heen en weer wordt gekaatst. De lichtpuls legt, gezien vanuit haar assenstelsel, echter geen verticale route af maar een route zoals weergegeven in nevenstaande afbeelding. Dit komt doordat de spiegel zich met een snelheid van +1/ 3 verplaatst en dus gedurende één puls een afstand 2x aflegt in de x-richting. Bianca vindt voor de tijd die verstrijkt gedurende één puls: s= v∙t

∗ s = 2 ∙ �h2 + x 2 ∗v=c

⇒t=

2 ∙ √h2 + x 2 c

We weten dat:

∗ x = v ∙ (½ ∙ t) 2h ∗ t′ = c


c ∙ t′ ⇒ h = 2

20/56

VWO Dus: 2

⇒t=

c ∙ t′ 2 ∙ �� 2 � + (v ∙ ½ ∙ t)2 c

2

c∙t c ∙ t′ ⇒ = �� + (v ∙ ½ ∙ t)2 2 2 2

c∙t 2 c ∙ t′ ⇒� � =� � + (v ∙ ½ ∙ t)2 2 2 v 2 2 ⟹ �1 − � � � ∙ t 2 = t ′ c 1 ⟹t= ∙ t′ v 2 ��1 − � � � c ⟹ t = γ ∙ t′

met γ =

1

v 2 ��1 − � � � c

Inderdaad verstrijkt de tijd in het bewegende assenstelsel langzamer, want γ is groter dan 1. Formule voor de Lorentzcontractie Om de formule voor de Lorentzcontractie te vinden maken we wederom gebruik van een lichtklok. Nu leggen we de lichtklok echter op zijn kant. In nevenstaande afbeelding staat zo’n lichtklok schematisch weergegeven. Een lichtpuls gaat horizontaal op en neer tussen twee spiegels die zich evenwijdig aan elkaar op een afstand ℓ van elkaar bevinden. De tijd die verstrijkt gedurende één puls (één heen en teruggaande beweging van de lichtpuls) op deze klok voldoet aan: t=

2ℓ c

t′ =

2ℓ′ c

Robin en Rebecca hebben in hun assenstelsel zo’n lichtklok. Robin registreert de tijd die zijn lichtklok weergeeft en vind:


21/56

VWO Bianca meet met haar eigen lichtklok eveneens de tijd die de lichtklok van Robin en Rebecca weergeeft. Bianca neemt de lichtpuls waar die tussen de beide spiegels heen en weer wordt gekaatst. De lichtpuls legt, gezien vanuit haar assenstelsel, op de heenweg echter niet dezelfde route af als op de terugweg. In nevenstaande afbeelding staat een en ander weergegeven. De lichtklok staat drie keer weergegeven. De lichtgrijze weergave is de positie van de lichtklok als de lichtpuls start aan de linkerkant van de klok. De groene weergave is de positie van de lichtklok op het moment dat de lichtpuls de rechterkant van de lichtklok raakt. De paarse weergave is de positie van de lichtklok op het moment dat de lichtpuls weer terug is aan de linkerkant van de klok. Voor de tijd van één puls geldt dan: t = t heen + t terug

We kunnen onderstaande verbanden afleiden voor t heen en t terug . afstandheen = ℓ + xlanger

∗ afstandheen = c ∙ t heen ∗ xlanger = v ∙ t heen

⇒ c ∙ t heen = ℓ + v ∙ t heen ℓ ⇒ t heen = c−v

afstandterug = ℓ − xkorter

∗ afstandterug = c ∙ t terug

∗ xkorter = v ∙ t terug

⇒ c ∙ t terug = ℓ − v ∙ t terug ℓ ⇒ t terug = c+v

Uiteindelijk hebben we dan: t = t heen + t terug (c + v)ℓ (c − v)ℓ (c + v)ℓ + (c − v)ℓ ℓ ℓ 2cℓ ⇒t= + = + = = 2 2 2 c −v c − v2 c − v c + v (c + v) ∙ (c − v) (c + v) ∙ (c − v) 2 �c� ℓ 1 2ℓ 2ℓ 1 ⇒t= =� � � � = γ2 � � met γ = 2 2 v v 2 c c 1 − �c� 1 − �c� �1 − �v� c Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

22/56

VWO We hadden al gevonden dat: 2ℓ′ (tijd gemeten door Robin en Rebecca) c c ∙ t′ ⇒ ℓ′ = 2

1) t ′ =

2) t = γ ∙ t ′ t ⇒ t′ = γ

(de formule voor tijddilatatie)

Dit geeft dan:

2ℓ γ2 � � t c c ∙ �γ � c ∙ c ∙ t′ 𝛾𝛾 ⇒ ℓ′ = = = =γ∙ℓ 2 2 2 ℓ′ ⇒ℓ= γ

Inderdaad krimpen voorwerpen (in de x-richting van de beweging), want γ is groter dan 1.


23/56

VWO

Samenvatting Alles wat we tot nu toe hebben gezien is afgeleid op basis van twee veronderstelling, namelijk: • Alle natuurconstanten zijn gelijk voor waarnemers die zich in inertiaalstelsel bevinden. • De lichtsnelheid is, conform de Maxwellvergelijkingen, te berekenen uit natuurconstanten en is daarmee zelf een natuurconstante. De conclusie uit deze uitgangspunten is dus dat de lichtsnelheid onafhankelijk is van het inertiaalstelsel waarin deze wordt bepaald. Tot nu toe hebben we een aantal gevolgen gezien: • Gelijktijdigheid is waarnemerafhankelijk. Twee of meer gebeurtenissen die gelijktijdig plaatsvinden in een bepaald inertiaalstelsel hoeven niet gelijktijdig plaats te vinden in een ander inertiaalstelsel dat beweegt ten opzichte van het oorspronkelijke stelsel. • Relatieve snelheden kun je niet meer simpelweg uitrekenen met u = v + u’. Zodra de snelheden niet meer verwaarloosbaar klein zijn ten opzichte van de lichtsnelheid dan geldt: u= •

v + u′ u′ ∙ v 1+ 2 c

Tijd is waarnemerafhankelijk. Gezien vanuit een inertiaalstelsel zal voor elk ander inertiaalstelsel dat beweegt ten opzichte van het oorspronkelijke stelsel de tijd langzamer verstrijken. Voor deze tijddilatie geldt: t = γ ∙ t′

met γ =

•

1

v 2 ��1 − � � � c

Afstanden zijn waarnemerafhankelijk. Voor elk inertiaalstelsel dat beweegt ten opzichte van het oorspronkelijke stelsel geldt dat de lengte, in de richting van beweging, krimpt. Voor deze Lorentzcontractie geldt: ℓ=

ℓ′ γ

met γ =


1

v 2 ��1 − � � � c

24/56

VWO

Opgaven Opgave: De ladder en de schuur Een beroemd gedachtenexperiment in de Speciale Relativiteit is de ‘Ladder en de Schuur’. De schuur heeft aan beide kanten deuren. De lengte van de schuur is 10 m. De lengte van de ladder is 20 m. Beide waarden zijn bepaald ten opzichte van het ruststelsel van de schuur. De vraag is: past de ladder in de schuur of niet? Robin draagt de ladder horizontaal. Hij beweegt met een snelheid v op de schuur af. Bob zit naast de schuur en kan de deuren van de schuur gelijktijdig sluiten. a) Bereken met welke snelheid Robin moet bewegen zodat volgens Bob de ladder dezelfde lengte heeft als de schuur. Robin beweegt met de snelheid zoals berekend bij a). Als de ladder in de schuur is, sluit Bob de deuren. Uiteraard gaan de deuren meteen weer open, zodat Robin niet tegen de deuren knalt. Bob meldt Robin dat de ladder in de schuur paste en dat beide deuren gesloten waren, zodat onomstotelijk vaststaat dat de ladder in de schuur paste. Robin rapporteert terug, dat Bob niet ‘vals moet spelen’. De ladder past absoluut niet: het schuurtje is te klein. b) Bereken de grootte van het schuurtje volgens Robin. c) Analyseer de situatie vanuit het stelsel van Bob. Neem als uitgangspunt de situatie zoals hiernaast geschetst: op t = 0 bevindt het rechter einde van de ladder zich precies bij de linker deur (x = 0). Bereken de gebeurtenissen: • rechter uiteinde ladder valt samen met rechter schuurdeur; • linker uiteinde ladder valt samen met linker schuurdeur; • linker uiteinde ladder valt samen met rechter schuurdeur. d) Analyseer de situatie vanuit Robin’s stelsel. Op t = 0 zijn de klokken gesynchroniseerd en vallen de oorsprongen van beide stelsels samen.


25/56

VWO Opgave: Muonen Hoogenergetische deeltjes uit de ruimte kunnen we niet rechtstreeks waarnemen aan het aardoppervlak. Als een deeltje de dampkring binnenkomt botst het namelijk met een atoom en veroorzaakt een lawine van secundaire deeltjes: fotonen, elektronen en hun zwaardere verwanten, de muonen. Deze zogenaamde air-shower bevat miljoenen deeltjes waarvan een deel het aardoppervlak bereikt verspreid over een groot oppervlak. Ze kunnen worden waargenomen door een netwerk van detectoren. Laboratoriumproeven laten zien dat muonen in rust vervallen met een halveringstijd van 2,2 µs. De meeste muonen worden gevormd op een hoogte van zo’n 15 km. Ze zijn dan niet in rust maar hebben een snelheid van gemiddeld 0,9993·c. Er treft ongeveer één muon per seconde op een oppervlakte van één vierkante centimeter aardoppervlak. a) Bereken hoelang het minimaal duurt voordat een muon het aardoppervlak kan hebben bereikt. Muonen hebben een halveringstijd van 2,2 µs. Dat betekent dat elke 2,2 µs het aantal muonen met 50% afneemt. In formulevorm: t

1 �t½ N = N0 ∙ � � 2

Hierin is • t de tijd in µs, • t ½ de halveringtijd in µs, • N het aantal muonen op tijdstip t en • N 0 het aantal muonen op tijdstip t = 0.

b) Bereken hoeveel muonen er moeten ontstaan voordat er 1 het aardoppervlak raakt. Reken dit uit zonder rekening te houden met relativistische effecten. Uit deze berekening blijkt dat slechts een heel klein deel van het oorspronkelijke aantal muonen lang genoeg leeft om het aardoppervlak bereiken. Experimenten, die het aantal muonen meten, hebben echter aangetoond dat één op de acht muonen het aardoppervlak bereikt. De halveringstijd van 2,2 µs geldt voor een muon dat in rust is. Het muon beweegt echter met een niet te verwaarlozen snelheid (vergeleken met c), waardoor relativistische effecten niet buiten beschouwing kunnen worden gelaten. c) Bereken de halveringstijd van het muon, zoals deze wordt gezien vanuit een laboratorium op het aardoppervlak. d) Bereken hoeveel muonen er moeten ontstaan voordat er 1 het aardoppervlak raakt gezien vanuit het aardoppervlak. Houd nu wel rekening met relativistische effecten. e) Bereken opnieuw hoeveel muonen er moeten ontstaan voordat er 1 het aardoppervlak raakt maar nu gezien vanuit het muon.


26/56

VWO Opgave: Proxima Centauri De dichtstbijzijnde ster (na de zon) is Proxima Centauri. Deze ster staat op een afstand van 4,28 lichtjaren van ons vandaan. Dat wil zeggen dat het licht van deze ster er 4,28 jaar over doet om de aarde te bereiken, gemeten door een waarnemer op aarde. Stel nu dat een raket met een snelheid van 0,95∙c ten opzichte van de aarde op weg is naar deze ster. a) Bereken hoeveel ouder een passagier aan boord van deze raket zou zijn geworden (volgens de klok aan boord) wanneer de raket de ster bereikt. Na 1 jaar verblijftijd om experimenten te doen komen de astronauten weer terug. Ze reizen wederom met een snelheid van 0,95∙c ten opzichte van de aarde. Eén van de astronauten heeft een tweelingbroer op aarde achtergelaten. Bij terugkomst blijkt dat de biologische leeftijd van de broers niet meer gelijk is. b) Bereken het leeftijdsverschil dat is ontstaan ten gevolge van deze reis.


27/56

VWO

Eigentijd en eigensnelheid Als de tijd waarnemerafhankelijk is hoe kunnen we dan toch een “nette” tijd definiëren? Deze “nette” tijd wordt de eigentijd of in het Engels “proper time” genoemd. De eigentijd is de tijd zoals die gemeten wordt in het inertiaalstelsel dat meebeweegt met het voorwerp of de gebeurtenis. Oftewel de tijd zoals gemeten in het ruststelsel waarin het voorwerp of de gebeurtenis stil staat. De snelheid is eveneens waarnemerafhankelijk. Hoe kunnen we iets soortgelijks doen voor de snelheid? De eigensnelheid, of in het Engels “proper velocity”, is misschien iets minder voor de hand liggend. De grootheid snelheid is gedefinieerd als de afstand gedeeld door de tijd benodigd voor deze afstand. Voor de eigensnelheid wordt de afstand gemeten ten opzichte van het inertiaalstelsel waarin men de snelheid wil weten. De eigensnelheid is dan deze afstand gedeeld door de eigentijd. De grootheid eigensnelheid is dus een mix van grootheden bepaald in twee verschillende inertiaalstelsels! veigen =

s t′

∗ t′ =

t γ

met γ =

s s ⇒ veigen = t = γ ∙ = γ ∙ v t �γ�

1

v 2 ��1 − � � � c

Je ziet wederom dat voor de snelheden die je in het dagelijks leven tegenkomt het verschil niets uitmaakt omdat γ dan gewoon zo goed als 1 is. Het hele verhaal van “speed” versus “velocity”, zoals je dat in de vierde klas hebt gehad, geldt nu natuurlijk ook, er verandert niets aan de factor γ die het verband tussen v eigen en v geeft.

Ruimtetijd De vierde dimensie Neem een simpele stok die in rust is in een bepaald inertiaalstelsel. In het Newtoniaans beeld zou een waarnemer in elk willekeurig ander inertiaal assenstelsel voor die stok dezelfde lengte vinden, ongeacht de snelheid van het inertiaalstelsel ten opzichte van die stok. De zaken liggen nu echter iets gecompliceerder. Alleen waarnemers in een inertiaalstelsel dat loodrecht op de richting van de stok beweegt zullen dezelfde lengte vinden. Waarnemers in inertiaalstelsels die niet loodrecht op de richting van de stok bewegen zullen een kleinere waarde voor de lengte van de stok vinden. Wat is er aan de hand? Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

28/56

VWO Neem een vector op de t-as in het bewegende assenstelsel en bekijk diezelfde vector vervolgens vanuit het stilstaande assenstelsel. Een en ander staat weergegeven in nevenstaande afbeelding. De vector bevat gezien vanuit het ene assenstelsel alleen een tijdcomponent, maar gezien vanuit het andere assenstelsel bevat die vector zowel een tijdcomponent als een ruimtecomponent. Hetzelfde geldt voor een vector op de x-as. Zo’n vector zou bijvoorbeeld die stok kunnen voorstellen die stil ligt ten opzichte van het rode assenstelsel. Een vector in het bewegende assenstelsel die alleen een ruimtecomponent heeft, heeft gezien vanuit het stilstaande assenstelsel zowel een ruimtecomponent als een tijdcomponent. Dit staat eveneens weergegeven in nevenstaande afbeelding. Dit geldt natuurlijk ook in de omgekeerde richting als een vector in het stilstaande assenstelsel wordt bekeken vanuit het bewegende assenstelsel. Zoals eerder afgeleid is het verband tussen t en t’ gelijk aan: t = γ∙t’. Uit dit verband volgt onderstaande relatie tussen de componenten van de vectoren in de verschillende assenstelsels. t = γ ∙ t′ ⇒ t2 =

1

∙ t′ 2 v 2 1 − �c� v 2 ⇒ t′ 2 = �1 − � � � ∙ t 2 c v ∙t 2 2 2 ⇒ t′ = t − � � c x 2 ⇒ t′ 2 = t 2 − � � c 2 ⇒ (c ∙ t′) = (c ∙ t)2 − x 2

Links van het “=”-teken staan de componenten van de vector gezien vanuit van het rode assenstelsel en rechts van het “=”-teken staan de componenten van de vector gezien vanuit het blauwe assenstelsel. We hadden de tijd al eens uitgedrukt in een lengte-eenheid omdat dat handig was. Blijkbaar is het verband veel fundamenteler. Tijd en ruimte zijn blijkbaar op fundamentele wijze met elkaar verbonden. De tijd gedraagt zich als het ware als een vierde dimensie. Naast de bekende drie dimensies van x, y en z is de tijd blijkbaar de vierde dimensie!


29/56

VWO Zoals eerder afgeleid is het verband tussen ℓ en ℓ’ gelijk aan: ℓ=ℓ’/γ. Uit dit verband volgt onderstaande relatie tussen de componenten van de vectoren in de verschillende assenstelsels. ℓ=

ℓ′ γ ∗ ℓ′ = x′ ∗ℓ =x−w ∗ w volgt uit de gelijkvormigheid van de gele driehoek en de driehoek tussen O, x en x′ w c∙t ∗ = c∙t x c∙t ⇒w= ∙c∙t x c∙t v 2 ∙ c ∙ t = �1 − � � ∙ x′ x c v ∗ = � steilheid van de x − as c v c∙t ⇒ = c x

⇒ x−

c∙t c∙t 2 � ⇒ x− ∙ c ∙ t = 1 − � � ∙ x′ x x ⇒ x 2 − (c ∙ t)2 = �x 2 − (c ∙ t)2 ∙ x′

⇒ �x 2 − (c ∙ t)2 = x′ ⇒ x 2 − (c ∙ t)2 = (x′)2 ⇒ −(x ′ )2 = (c ∙ t)2 − x 2

Links van het “=”-teken staan wederom de componenten van de vector gezien vanuit van het rode assenstelsel en rechts van het “=”-teken staan wederom de componenten van de vector gezien vanuit het blauwe assenstelsel. Als een waarnemer beweegt met een snelheid die niet loodrecht op de lengterichting van de stok staat dan zal deze waarnemer de stok korter waarnemen in de drie dimensies van x, y en z. De bekende drie dimensies (x, y en z) zijn blijkbaar verweven met de vierde dimensie van de tijd (t) waardoor effecten als Lorentzcontractie en tijddilatatie ontstaan.

Hoe kunnen we onze definitie van “lengte” aanpassen aan de vierde dimensie?


30/56

VWO Minkowski-ruimte Een vierdimensionale ruimte kan op vele manieren wiskundig worden beschreven. In de speciale relativiteitstheorie wordt gebruik gemaakt van de beschrijving zoals deze door Minkowski is ingevoerd. Het hierboven afgeleide verband tussen de componenten van vectoren in verschillende assenstelsels is een ideale definitie voor de “lengte” van een vector in een vier dimensionale ruimte, want dan geldt dat de lengte van de vierdimensionale vector wel onafhankelijk is van de waarnemer. Deze “lengte” wordt het ruimtetijdinterval genoemd. Het ruimtetijdinterval van een vierdimensionale vector is gedefinieerd als: |(A, B, C, D)|2 = A2 − B2 − C2 − D2

Ter informatie: In de vakliteratuur wordt ook de definitie |(A, B, C, D)|2 = −A2 + B2 + C2 + D2 Die werkt net zo goed, maar je moet er wel op bedacht zijn. Toegepast op de vector (c∙t, x, y, z) levert dat: |(t, x, y, z)|2 = (c ∙ t)2 − x 2 − y 2 − z 2

Let op: Er staat c∙t en niet t, want t moet worden uitgedrukt in meter om op gelijke voet te staan met x, y en z.

Het ruimtetijdinterval kan in tegenstelling tot de driedimensionale lengte een negatieve waarde hebben! • Een vector met positieve waarde voor het ruimtetijdinterval wordt een tijdachtige vector genoemd. • Een vector met negatieve waarde voor het ruimtetijdinterval wordt een ruimteachtige vector genoemd. Voor het ruimtetijdinterval van een tijdachtige vector zoals weergegeven in nevenstaande afbeelding geldt:

ruimtetijdinterval in rood assenstelsel = (c ∙ t′) 2 ruimtetijdinterval in blauw assenstelsel = (c ∙ t)2 − x 2 ⇒ (c ∙ t′) 2 = (c ∙ t)2 − x 2

Dit is precies het verband dat we hadden afgeleid op basis van t = γ ∙ t ′ . Je ziet meteen de tijddilatatie terug, want t’ kan onmogelijk gelijk zijn aan t vanwege de term x2. Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

31/56

VWO Voor een ruimteachtige vector zoals weergegeven in nevenstaande afbeelding geldt:

ruimtetijdinterval in rood assenstelsel = c ∙ 0 − (x′) 2 = −(x′) 2 ruimtetijdinterval in blauw assenstelsel = (c ∙ t)2 − x 2 ⇒ −(x′) 2 = (c ∙ t)2 − x 2

Dit is precies het verband dat we hadden afgeleid op basis van ℓ = ℓ′ /γ. Je ziet meteen de Lorentzcontractie terug, want x’ kan onmogelijk gelijk zijn aan x vanwege de term (c ∙ t)2. In nevenstaand diagram is voor een aantal verschillende snelheden de t’-as en de x’-as van het assenstelsel weergegeven. • Rood voor een snelheid gelijk aan 1/ 4 . • Groen voor een snelheid gelijk aan 2/ 4 . • Geel voor een snelheid gelijk aan 3/ 4 . Tevens staan er twee vectoren weergegeven. De vector A geeft een zuiver tijdachtige vector. De vector B geeft een zuiver ruimteachtige vector.

Voor het ruimtetijdinterval van vector A geldt: |(t, x, y, z)|2 = (c ∙ t)2 − x 2 − y 2 − z 2 = (c ∙ t)2 − x 2 = (1 ∙ 4)2 − 02 = 16

Voor het ruimtetijdinterval van vector B geldt:

|(t, x, y, z)|2 = (c ∙ t)2 − x 2 − y 2 − z 2 = (c ∙ t)2 − x 2 = (1 ∙ 0)2 − 42 = −16

Beide bovenstaande vergelijkingen zijn vergelijkingen voor een hyperbool: (c ∙ t)2 − x 2 = 16 (c ∙ t)2 − x 2 = −16


32/56

VWO In nevenstaande afbeelding staan de beide hyperbolen weergegeven. De beide hyperbolen markeren de punten van gelijk ruimtetijdinterval. In alle assenstelsels is het ruimtetijdinterval van de viervectoren 16 respectievelijk -16! Zowel de Lorentzcontractie als de tijddilatatie die we eerder hebben afgeleid vind je in deze afbeelding terug. Ga na! Met deze vierdimensionale definitie van lengte geldt dat de lengte van een stok onafhankelijk is van de inertiaalwaarnemer die de lengte bepaald. Het is pas op het moment dat de oude driedimensionale definitie wordt gebruikt dat de lengte van de stok waarnemerafhankelijk wordt. Met andere woorden driedimensionale vectoren (x,y,z) zijn waarnemerafhankelijk, maar vierdimensionale vectoren (c∙t,x,y,z) zijn dat niet.


33/56

VWO Impulsbehoud Naast plaatsvectoren komen we in de natuurkunde ook snelheidsvectoren en impulsvectoren tegen. Eigenimpuls Op basis van de eerder gedefinieerde eigensnelheid wordt de grootheid eigenimpuls gedefinieerd als: peigen = m ∙ veigen Hoe zit het met impulsbehoud? Bob en Bianca nemen een botsing waar tussen twee kogels. Een kogel met een massa van 2 kg botst met een snelheid van 1/ 2 c tegen een stilstaande kogel met een massa van 1 kg. We laten buiten beschouwing dat bij zo’n snelheid de kogels volledig aan diggelen zouden gaan, maar nemen aan dat de botsing volkomen elastisch verloopt. Hoe bewegen de kogels na de botsing? Impulsbehoud: pvoor = pna

1

∗ pvoor = p1 + p2 = m1 ∙ v1 + m2 ∙ v2 = 2 ∙ 2c + 0 = c ∗ pna = p3 + p4 = m1 ∙ v3 + m2 ∙ v4 = 2 ∙ v3 + 1 ∙ v4 ⇒ c = 2 ∙ v3 + 1 ∙ v4 ⇒ v4 = c − 2 ∙ v3

Energiebehoud:

1

1

1

1

2

1

∗ Evoor = E1 + E2 = 2 ∙ m1 ∙ v12 + 2 ∙ m2 ∙ v22 = 2 ∙ 2 ∙ �2c� + 0 = 4 ∙ c 2 1

1

1

1

1

∗ Ena = E3 + E4 = 2 ∙ m1 ∙ v32 + 2 ∙ m2 ∙ v42 = 2 ∙ 2 ∙ v32 + 2 ∙ 1 ∙ v42 = v32 + 2 ∙ v42 1

1

⇒ 4 ∙ c 2 = v32 + 2 ∙ v42

Vul het resultaat van impulsbehoud in bij energiebehoud: 1

1

⇒ 4 ∙ c 2 = v32 + 2 ∙ (c − 2 ∙ v3 )2 1

1

⇒ 4 ∙ c 2 = v32 + 2 ∙ c 2 − 2 ∙ c ∙ v3 + 2 ∙ v32 1

⇒ 3 ∙ v32 − 2 ∙ c ∙ v3 + 4 ∙ c 2 = 0

2c ± √4 ∙ c 2 − 3c 2 2c ± c = 6 6 1 1 ⇒ v3 = 2c ∨ v3 = 6c

⇒ v3 =


34/56

VWO v 3 is dus gelijk aan 1/ 6 c, want 1/ 2 c is de uitgangssituatie. 1

2

⇒ v4 = c − 2 ∙ v3 = c − 2 ∙ 6c = 3c

Bob en Bianca zien dus dat kogel 1 botst met een snelheid van 1/ 2 c en na de botsing een snelheid heeft van 1/ 6 c en dat kogel 2 eerst stil stond en na de botsing een snelheid heeft van 2/ 3 c. Robin en Rebecca bewegen met een snelheid van 2/ 3 c in de richting van kogel 1 en nemen diezelfde botsing eveneens waar. Hoe nemen Robin en Rebecca de botsing waar? In het Newtoniaans beeld zou dit eenvoudig zijn. Kogel 1 beweegt in het assenstelsel van Robin en Rebecca met een snelheid van c - 2/ 3 c = -1/ 6 c (naar links). Kogel 2 beweegt in dit assenstelsel met een snelheid van 0 - 2/ 3 c = -2/ 3 c (naar links). 1/ 2

De berekening gaat hetzelfde als de berekening hierboven. Impulsbehoud:

pvoor = pna

1

2

∗ pvoor = p1 + p2 = m1 ∙ v1 + m2 ∙ v2 = 2 ∙ �− 6c� + 1 ∙ �− 3c� = −c

∗ pna = p3 + p4 = m1 ∙ v3 + m2 ∙ v4 = 2 ∙ v3 + 1 ∙ v4 ⇒ −c = 2 ∙ v3 + 1 ∙ v4 ⇒ v4 = −c − 2 ∙ v3

Energiebehoud:

1

1

1

1

2

1

2

2

1

∗ Evoor = E1 + E2 = 2 ∙ m1 ∙ v12 + 2 ∙ m2 ∙ v22 = 2 ∙ 2 ∙ �− 6c� + 2 ∙ 1 ∙ �− 3c� = 4 ∙ c 2 1

1

1

1

1

∗ Ena = E3 + E4 = 2 ∙ m1 ∙ v32 + 2 ∙ m2 ∙ v42 = 2 ∙ 2 ∙ v32 + 2 ∙ 1 ∙ v42 = v32 + 2 ∙ v42 1

1

⇒ 4 ∙ c 2 = v32 + 2 ∙ v42

Vul het resultaat van impulsbehoud in bij energiebehoud: 1

1

⇒ 4 ∙ c 2 = v32 + 2 ∙ (−c − 2 ∙ v3 )2 1

1

⇒ 4 ∙ c 2 = v32 + 2 ∙ c 2 + 2 ∙ c ∙ v3 + 2 ∙ v32 1

⇒ 3 ∙ v32 + 2 ∙ c ∙ v3 + 4 ∙ c 2 = 0

−2c ± √4 ∙ c 2 − 3c 2 −2c ± c = 6 6 1 1 ⇒ v3 = − 2c ∨ v3 = − 6c

⇒ v3 =


35/56

VWO v 3 is dus gelijk aan -1/ 2 c, want -1/ 6 c is de uitgangssituatie. 1

⇒ v4 = −c − 2 ∙ v3 = −c − 2 ∙ �− 2c� = 0

Robin en Rebecca zien dus dat kogel 1 botst met een snelheid van -1/ 6 c en na de botsing een snelheid heeft van -1/ 2 c en dat kogel 2 die een snelheid had van -2/ 3 c na de botsing stil staat. Dit is precies wat je verwacht, want de resultaten van de eerste waarnemer zijn om te rekenen naar de resultaten van de tweede waarnemer door de snelheid van de waarnemer te verrekenen. 1

2

1

v3 = 6c − 3c = − 2c 2

2

v4 = 3c − 3c = 0

Misschien denk je nu, prima, niets aan de hand. Robin en Rebecca nemen de beide kogels (voor de botsing) echter niet waar met de hierboven berekende snelheden van -1/ 6 c respectievelijk -2/ 3 c! Relatieve snelheden dienen te worden berekend met onderstaande formule: u=

v + u′ u′ ∙ v 1+ 2 c

Dit levert: 1

∗ 2c = ∗0=

2 c 3

1+ 2 c 3

1+

+ u′

∙ 23c c2

u′

+ u′

∙ 23c c2

u′

1

⇒ u′ = − 4c 2

⇒ u′ = − 3c

De relatieve snelheid van kogel 1 is dus niet -1/ 6 c maar -1/ 4 c!!

Robin en Rebecca voeren de berekening voor impulsbehoud en energiebehoud uit en vinden dan onderstaand resultaat: Kogel 1 botst met een snelheid van -1/ 4 c en heeft na de botsing een snelheid van -19/ 36 c. Kogel 2 botst met een snelheid van -2/ 3 c en heeft na de botsing een snelheid van -1/ 9 c.


36/56

VWO Als we echter de resultaten van Bob en Bianca omrekenen naar het assenstelsel van de Robin en Rebecca dan vinden we onderstaand resultaat: ∗ v3 :

1 c 6

=

∗ v4 :

2 c 3

=

2 c 3

+ u′

u′ ∙ 23c 1+ 2 c 2 c + u′ 3 1+

∙ 23c c2

u′

9

⇒ u′ = v3 = − 16c ⇒ u′ = v4 = 0

Er is dus geen overstemming. Gezien vanuit het ene inertiaalstelsel geldt energie- en impulsbehoud gezien vanuit het andere stelsel niet! In onderstaande afbeelding staan de verschillende waarnemingen en resultaten nog eens bij elkaar.


37/56

VWO Met een vierdimensionale definitie van lengte werd de lengte van een stok onafhankelijk van de inertiaalwaarnemer die de lengte bepaald. Het is pas op het moment dat de oude driedimensionale definitie wordt gebruikt dat de lengte van de stok waarnemerafhankelijk wordt. Impulsvectoren en snelheidsvectoren, zoals we die tot nu toe hebben gebruikt, zijn ook driedimensionaal. Deze vectoren zijn aan dezelfde beperkingen onderhevig als plaatsvectoren. Het ligt nu voor de hand dat ook voor deze vectoren vierdimensionale varianten moeten worden gedefinieerd. Hoe kunnen we van de snelheid en de impuls vierdimensionale vectoren maken? Heel eenvoudig. De snelheid is de afgeleide van de tijd. Oftewel: v(t) = x ′ (t) =

d d �x(t)� = (c ∙ t, x, y, z) = (c, vx , vy , vz ) dt dt

De vierdimensionale snelheidsvector in de relativiteitstheorie is de eigensnelheid. Daarmee is de vector voor de snelheid dus: veigen = γ ∙ v = γ ∙ �c, vx , vy , vz � = (γ ∙ c, γ ∙ vx , γ ∙ vy , γ ∙ vz )

De vierdimensionale impulsvector in de relativiteitstheorie is de eigenimpuls. Daarmee is de vierdimensionale vector voor de impuls dus: peigen = m ∙ veigen = m ∙ (γ ∙ c, γ ∙ vx , γ ∙ vy , γ ∙ vz ) = (γ ∙ m ∙ c, γ ∙ px , γ ∙ py , γ ∙ pz )

Bij de vierdimensionale plaatsvector is de tijd toegevoegd als vierde component. Bij de vierdimensionale vector voor de impuls is γ∙m∙c toegevoegd. Wat stelt γ∙m∙c voor? γ∙m∙c=

1

v 2 ��1 − � � � c

∙m∙c

Als v klein is ten opzichte van c dan geldt: 1

v 2 ��1 − � � � c

v 2 3 v 4 v 2 1 1 = 1 + 2 ∙ � � + 8 ∙ � � + hogere orde termen ≈ 1 + 2 ∙ � � c c c

v 2 1 1 1 ⇒ γ ∙ m ∙ c ≈ �1 + 2 ∙ � � � ∙ m ∙ c = �m ∙ c 2 + 2 ∙ m ∙ v 2 � c c

Dat laatste stuk is gerelateerd aan de bekende formule voor de kinetische energie. m∙c2 kan ook een of andere vorm van energie zijn, want de eenheid van deze term is joule. Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

38/56

VWO In de vierde klas hebben we alleen gekeken naar de impuls voor dingen met een massa. Lichtdeeltjes (fotonen) hebben echter ook een impuls. De formule voor de impuls van een lichtdeeltje luidt: p=

E c

Daarmee ligt het dus zeer voor de hand dat de extra term die nodig is om van de driedimensionale impulsvector een vierdimensionale vector te maken, die geschikt is voor de vierdimensionale ruimtetijd van de relativiteitstheorie, inderdaad een aan energie gerelateerde term is. 1 E 1 = γ ∙ m ∙ c ≈ �m ∙ c 2 + 2 ∙ m ∙ v 2 � c c

Net zoals ruimte (x, y en z) is gekoppeld met de tijd (t) zo is de impuls (p x , p y en p z ) blijkbaar gekoppeld met de energie. Blijkbaar zijn energiebehoud en impulsbehoud twee kanten van dezelfde munt die blijkbaar niet zo los van elkaar kunnen worden gezien als dat je dat tot nu toe deed. Tevens is de massa als een vorm van energie nodig om het plaatje kloppend te maken. In de vierdimensionale ruimtetijd zijn het blijkbaar de vierdimensionale vectoren (c∙t, x, y, z) en (E/c , γ∙p x , γ∙p y , γ∙p z ) die waarnemeronafhankelijk zijn. Dit verschil valt echter alleen op als de snelheid groot is ten opzichte van de lichtsnelheid. Voor alledaagse snelheden van fietsen, auto’s en vliegtuigen is dit verschil volkomen onmerkbaar. We zouden nu de botsing tussen de twee kogels nog eens kunnen doorrekenen en dan tot de conclusie komen dat impulsbehoud met de vierdimensionale impulsvector wel waarnemeronafhankelijk is. Dat is een behoorlijke rekenklus die we nog even bewaren voor later.

Massa en energiebehoud In het voorgaande is de term γ∙m∙c toegevoegd aan de driedimensionale impulsvector om er een vierdimensionale vector van te maken. Er geldt: E 1 1 = γ ∙ m ∙ c ≈ �m ∙ c 2 + 2 ∙ m ∙ v 2 � c c

Hieruit volgt dan: E = γ ∙ m ∙ c2


39/56

VWO Door de factor γ te benaderen met de reeksontwikkeling voor kleine v is dit te schrijven als: 1

E ≈ m ∙ c2 + 2 ∙ m ∙ v2

De tweede term ken je al, maar blijkbaar vertegenwoordigt massa ook een vorm van energie. Dit is het inzicht dat Einstein introduceerde. De formule E=mc2 is waarschijnlijk een van de meest bekende formules uit de natuurkunde, zelfs bij die mensen die zo goed als niets van natuurkunde weten. Massa en energie kunnen in elkaar worden omgezet. Massa omzetten in energie is iets dat dagelijks gebeurt in de zon en in elke kerncentrale. In een kernsplijtingscentrale wordt een grote zware kern omgezet in twee kleinere kernen. De massa van de producten is echter een heel klein beetje kleiner dan de massa van de oorspronkelijke zware kern. Het beetje massa dat mist is omgezet in energie. Het is die energie die wordt omgezet in elektrische energie. Iets soortgelijks gebeurt in sterren. Daar worden twee lichte kernen samengevoegd tot een zwaardere kern door middel van kernfusie. Ook nu geldt dat de massa van het product een beetje kleiner is dan de massa van de oorspronkelijke twee lichte kernen. Het beetje massa dat mist wordt omgezet in energie. Op deze wijze kunnen sterren miljarden jaren schijnen. In de bijlage staat een uitgewerkt voorbeeld van een instabiel deeltje dat in twee kleinere delen uit elkaar valt. Het voorbeeld illustreert heel duidelijk het behoud van de vierdimensionale impulsvector en energiebehoud (mits je de massaenergie meeneemt in de beschouwing). Het omgekeerde kan ook. Het is ok mogelijk energie om te zetten in massa. In deeltjesversneller zoals die bij CERN worden deeltjes tot bijna de lichtsnelheid versneld waarna men ze op elkaar laat botsen. Op de plek van de botsing komt een hele hoop energie beschikbaar. Uit deze energie ontstaan allerlei deeltjes. Op deze manier kan de samenstelling van materie worden onderzocht en kunnen nieuwe deeltjes worden gemaakt. In CERN probeert men deeltjes te maken die op basis van theoretische modellen zouden moeten bestaan. Het Higgs-deeltje is een bekend voorbeeld van een deeltje dat op basis van theoretische argumenten zou moeten bestaan en op deze manier is aangetoond. Volgend jaar gaan we bij de module deeltjesprocessen nog nader hierop in.


40/56

VWO Relativistische massa De term γ∙m in onderstaande formule voor energie interpreteerde Einstein als relativistische massa, oftewel een snelheidsafhankelijk massa. E = γ ∙ m ∙ c2

Einstein ging er dus van uit dat een massa waarnemerafhankelijk is net zoals bijvoorbeeld de driedimensionale lengte, snelheid, impuls en tijd. t = γ ∙ t ′ met t ′ gelijk aan de eigentijd ℓ′ ℓ= γ veigen = γ ∙ v peigen = γ ∙ p

Dus nu ook:

m = γ ∙ m0

Hierin is m 0 de rustmassa. Oftewel de massa bepaald in het assenstelsel waarin het voorwerp of deeltje stil staat. De relativistische massa m is de massa die een waarnemer vindt als deze met een zekere snelheid beweegt ten opzichte van het voorwerp of deeltje.

Daarmee reduceren de formules tot:

t = γ ∙ t ′ met t ′ gelijk aan de eigentijd ℓ′ ℓ= γ veigen = γ ∙ v peigen = γ ∙ p

(= γ ∙ m0 ∙ veigen = m ∙ v)

m = γ ∙ m0 E = m ∙ c2 voor kleine v kan dit worden benaderd met: 1

E ≈ m0 ∙ c 2 + 2 ∙ m0 ∙ v 2

De relativistische kinetische energie is gelijk aan: Ek = E − m0 ∙ c 2 = m ∙ c 2 − m0 ∙ c 2 = (γ − 1) ∙ m0 ∙ c 2

Nu zie je in een oogopslag waarom voorwerpen en deeltjes met een massa ongelijk aan nul nooit de lichtsnelheid kunnen bereiken. γ gaat naar oneindig als v in de buurt van c komt en daarmee gaat de benodigde kinetische energie naar oneindig. Anders gezegd: als de snelheid de lichtsnelheid nadert dan neemt de relativistische massa toe tot oneindig!


41/56

VWO Opgave: Relativistisch versus niet-relativistisch Vergelijk de waarden voor de kinetische energie van een elektron in geval van de niet-relativistische en van de relativistische benadering bij een snelheid van a) 1,0∙108 m/s b) 2,0∙108 m/s

Opgave: Deeltjesversneller De rustmassa van een proton kan worden gegeven in termen van de rustenergie, m p c2 = 939MeV. Beschouw een proton in rust. a) Bereken hoeveel arbeid er nodig is om het proton een snelheid van 0,9∙c te geven. b) Bereken de hoeveelheid arbeid nodig om dit proton vervolgens van 0,9∙c naar 0,99∙c te krijgen. c) Bereken de hoeveelheid arbeid nodig om dit proton vervolgens van 0,99∙c naar 0,999∙c te krijgen.

Opgave: Radioactief verval Radium-224 is een radioactieve kern. De kern zal vroeg of laat vervallen naar radon-220. Bij deze reactie schiet een deel van de kern met grote snelheid weg. Dit deel van de kern bestaat uit twee protonen en twee neutronen en is dus eigenlijk een helium-4 kern. In onderstaande reactievergelijking staat dit verval weergegeven. 224 88Ra

⟶

220 86Rn

+ 42He

Als we ervan uitgaan dat de kernen een verwaarloosbare snelheid hebben komt de vrijkomende energie ten goede aan de kinetische energie van de heliumkern. Bereken hoeveel kinetische energie deze heliumkern bij dit proces krijgt. Hint: De massa van de verschillende kernen kunnen worden berekend met de atoommassa’s zoals die in tabel 25A van BiNaS staan.


42/56

VWO

Samenvatting

In het voorgaande deel van dit document heb je kunnen zien dat de bekende driedimensionale grootheden afhankelijk waren van de inertiaalwaarnemer die ze bepaalt. Stap voor zijn we tot de conclusies gekomen dat de driedimensionale grootheden alleen maar waarnemeronafhankelijk lijken als de betrokken snelheden klein zijn vergeleken met de lichtsnelheid. Zodra de snelheden niet meer verwaarloosbaar klein zijn vergeleken met de lichtsnelheid dan blijkt de waarnemeronafhankelijkheid van de driedimensionale grootheden een illusie te zijn. Op basis van onderstaande twee veronderstellingen geldt dat de lichtsnelheid onafhankelijk is van de inertiaalwaarnemer die deze bepaalt. • Alle natuurconstanten zijn gelijk voor waarnemers die zich in inertiaalstelsel bevinden. • De lichtsnelheid is, conform de Maxwellvergelijkingen, te berekenen uit natuurconstanten en is daarmee zelf een natuurconstante. Stap voor stap hebben we de gevolgen van deze waarnemeronafhankelijkheid van de lichtsnelheid uitgewerkt. Verschijnselen als tijddilatatie en lorentzcontractie waren het gevolg. t = γ ∙ t ′ en ℓ = ℓ′ /γ hebben we uitgewerkt en gezien dat ruimte en tijd vermengen tot een vierdimensionale ruimtetijd. Dit heeft geleid tot een nieuwe, vierdimensionale, definitie voor lengte. Dit ruimtetijdinterval voldoet aan: |(A, B, C, D)|2 = A2 − B2 − C2 − D2 . Tot slot is voor elke driedimensionale grootheid een vierdimensionale variant gedefinieerd. Om een waarnemeronafhankelijke lengte te krijgen moet een tijdcomponent worden toegevoegd aan de driedimensionale plaatsvector (x, y, z). Om een waarnemeronafhankelijke impuls te krijgen moet een component γ∙m∙c worden toegevoegd aan de driedimensionale impulsvector (p x ,p y , p z ). Dit leidt tot de waarnemeronafhankelijke vierdimensionale vectoren (c∙t, x, y, z) en (E/c , γ∙p x , γ∙p y , γ∙p z ). Een belangrijk inzicht dat hiermee is gewonnen is dat massa een vorm van energie (E = mc2) is die expliciet bij energie- en impulsbehoud moet worden betrokken om vierdimensionaal impulsbehoud te krijgen.

Lorentztransformatie

Veel afleidingen zijn gedaan door gebruik te maken van diagrammen waarbij het blauwe assenstelsel het stelsel van de stilstaande waarnemer was en het rode assenstelsel het assenstelsel van de bewegende waarnemer was. Stilzwijgend is bij al deze afleidingen ervan uit gegaan dat de oorsprongen van beide assenstelsels samenvallen op het moment dat wij onze constructies maken. Dit doet geen enkele afbreuk aan wat we hebben afgeleid maar is natuurlijk niet altijd het geval. Wat zijn de coördinaten (t, x) (in het blauwe assenstelsel) van een gebeurtenis met coördinaten (t’, x’) in het rode assenstelsel als de oorsprong zich sinds t = 0 al heeft verplaatst? Nog steeds gaan we ervan uit dat op t = 0 de oorsprong van beide assenstelsels samenviel en beide klokken, zowel t-klok als de t’klok, op dat moment 0 aangaven. Hoe rekenen we coördinaten van het ene assenstelsel om naar het andere assenstelsel?


43/56

VWO Formules voor Lorentztransformatie Een en ander staat grafisch weergegeven in nevenstaande afbeelding. Het punt met coördinaten (t’, x’) in het rode assenstelsel heeft de coördinaten (t, x) in het blauwe assenstelsel. De constructies voor tijddilatatie en lorentzcontractie, zoals deze eerder in dit document zijn gemaakt, zijn weer terug te vinden. Ga na! Er geldt: x = x + xo x′ (lorentzcontractie) ∗x= γ ∗ xo = v ∙ t ⇒x=

x′ γ

+v∙t

⇒ x′ = γ ∙ (x − v ∙ t)

Op basis van symmetrie geldt dan ook: x − v ∙ t′ γ ⇒ x = γ ∙ (x ′ + v ∙ t′) ⇒ x′ =

Alle accenten verwisselen en v vervangen door –v, want waarnemers in het rode stelsel kunnen zichzelf als stilstaand beschouwen zodat het blauwe stelsel met een snelheid van –v ten opzichte van hen beweegt.

De rekenregel voor het omrekenen van de tijd is het gemakkelijkst te vinden door bovenstaande uitdrukkingen voor x’ aan elkaar gelijk te stellen. x − v ∙ t′ γ x v ∙ t′ ⇒ (x − v ∙ t) = 2 − γ γ v 2 v ∙ t′ ⇒ (x − v ∙ t) = �1 − � � � x − γ c ′ 2 v v∙t ⇒ v∙t =� � ∙x− γ c v ∙ x ⇒ t ′ = γ ∙ �t − 2 � c γ ∙ (x − v ∙ t) =


44/56

VWO Ook nu weer geldt op basis van symmetrie: ⇒ t = γ ∙ �t ′ +

v ∙ x′ � c2

Ook die laatste regel is in principe t = t o + t.

Daarmee luiden de rekenregels voor de lorentztransformatie: ∗ x′ = γ ∙ (x − v ∙ t) v∙x ∗ t ′ = γ ∙ �t − 2 � c

En omgekeerd:

∗ x = γ ∙ (x ′ + v ∙ t′) v ∙ x′ ∗ t = γ ∙ �t ′ + 2 � c

In het Newtoniaans beeld zouden deze formules een stuk eenvoudiger zijn. Ze luiden dan: ∗ x′ = x − v ∙ t ∗ t′ = t

En omgekeerd:

∗ x = x ′ + v ∙ t′ ∗ t = t′

Deze rekenregels zijn geldig als de betrokken snelheden klein zijn ten opzichte van de lichtsnelheid. Deze transformatie heet de Galileitransformatie.


45/56

VWO

Algemene relativiteitstheorie Een tipje van de sluier We zijn begonnen met: Stel je de volgende situatie eens voor: Je bevindt je aan boord van een schip. Het is vrijwel donker. Je kunt geen maan, wolken of oever zien. Je staat aan de reling en kijkt naar het water. Op een gegeven moment zie je een stuk plastic voorbij drijven. Je kunt je afvragen of het stuk plastic aan het schip voorbij drijft of dat het schip aan het stuk plastic voorbij vaart. Kun je met zekerheid zeggen of het schip voor anker ligt (en dus stil staat) en het stuk plastic met een stroming van het water beweegt of dat het omgekeerde het geval is en het stuk plastic stil ligt op niet stromend water en het schip beweegt? Volgens Galileo Galilei is het niet mogelijk om dit met zekerheid te zeggen. Dit uitgangspunt, samen met het inzicht dat de lichtsnelheid een natuurconstante is en dus onafhankelijk moet zijn van de inertiaalwaarnemer die deze bepaalt, heeft geleid tot de speciale relativiteitstheorie. Einstein heeft een soortgelijk argument gebruikt om de algemene relativiteitstheorie af te leiden. Stel je de volgende situatie eens voor: Je bevindt je in een liftcabine. Je kunt niet naar buiten kijken om te zien waar je bent. In de liftcabine bevindt zich ook een weegschaal. Je gaat op de weegschaal staan en leest je massa af. Je weet dat weegschalen functioneren op basis van het feit dat jouw gewicht een veer of een sensor indrukt en de indrukking is een maat voor jouw gewicht. Je kunt je afvragen wat de oorzaak is van de kracht die jij op de weegschaal uitoefent. Er zijn twee mogelijkheden. • De liftkooi staat stil (of beweegt met constante snelheid) en er werkt een zwaartekracht op jou waardoor de zwaartekracht jou tegen de weegschaal drukt. • Er werkt helemaal geen zwaartekracht (je bevindt je in de ruimte, ver weg van sterren en planeten), maar de liftkooi beweegt met een constante versnelling “omhoog”. Kun je met zekerheid zeggen welke van de twee opties de juiste is? Volgens Einstein is het niet mogelijk om dit met zekerheid te zeggen. Einstein heeft zijn algemene relativiteitstheorie afgeleid op basis van het uitgangspunt dat een stilstaand assenstelsel met zwaartekracht equivalent is met een assenstelsel zonder zwaartekracht als dit assenstelsel eenparig versneld beweegt ten opzichte van het stilstaande assenstelsel.


46/56

VWO Dit klinkt simpel maar is wiskundig al heel snel best ingewikkeld want een gravitatieveld is op grotere schaal nooit homogeen. Het gravitatieveld van een planeet is bijvoorbeeld naar het middelpunt van de planeet gericht. De veldlijnen lopen dus steeds verder uit elkaar naarmate de afstand tot het planeetoppervlak toeneemt (vergelijkbaar met de elektrische veldlijnen van de negatief geladen bol). Daarnaast neemt de sterkte van de gravitatiekracht af met het kwadraat van de afstand, zodat de valversnelling niet constant is. De hele speciale relativiteitstheorie is opgebouwd rond inertiaalstelsels. Een belangrijk kenmerk van inertiaalstelsels is dat een deeltje, waarop geen resulterende kracht werkt, dat in rust is, in rust blijft. Einstein beschouwt een assenstelsel dat een vrije val uitvoert als een inertiaal assenstelsel. Om bovengenoemde redenen is het echter niet mogelijk om een groot, algeheel geldig, assenstelsel te definiëren. Het is echter altijd mogelijk om een lokaal assenstelsel te definiëren dat voldoet aan de voorwaarden. De aarde is bijvoorbeeld krom, maar als je lokaal kijkt naar bijvoorbeeld het oppervlak van de gemeente Roermond dan is dit oppervlak in goede benadering als plat te beschouwen. Het oppervlak van Nederland is echter al een stuk slechter als plat te beschouwen en het oppervlak van Europa al helemaal niet. Een van de onvermijdelijke conclusies die hieruit volgt is dat de ruimtetijd lokaal als plat kan worden beschouwd maar dit in zijn algemeenheid niet is. Het blijkt dat de ruimtetijd krom is. Einstein heeft in zijn algemene relativiteitstheorie aangetoond dat massa (en dus energie) de kromming van de ruimte beïnvloedt. Het is deze kromming die zich manifesteert als zwaartekracht. Einstein beschouwt zwaartekracht dus niet als “echte” kracht maar als een eigenschap van de ruimtetijd die de illusie van kracht geeft. Een van de bekendste resultaten uit de algemene relativiteitstheorie is de voorspelling van het bestaan van zwarte gaten. Er is een hele reeks van experimenten uitgevoerd om de algemene relativiteitstheorie te testen. De theorie heeft tot nu toe zelfs de meest nauwkeurige experimenten die we met de huidige stand van de techniek kunnen uitvoeren overleeft. Om een indruk te krijgen kijk eens naar de informatie op de site onder onderstaande link: link naar site. De zwaartekracht is altijd al een buitenbeentje geweest. Het is weliswaar één van de eerste krachten die bestudeerd is, maar is één van de laatste die begrepen is. Er zijn in de natuur vier fundamentele krachten. De zwaartekracht, de elektromagnetische kracht en de zwakke en sterke kernkracht. De elektromagnetische kracht ken je al. De zwakke en sterke kernkracht spelen een rol op subatomaire schaal en komen volgend schooljaar weer even ter sprake. De zwaartekracht is vergeleken met de andere drie krachten enorm zwak. Om bijvoorbeeld de relatief kleine zwaartekracht op jou lichaam te krijgen heb je de massa van de hele aarde nodig! Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

47/56

VWO Daarnaast is het zo dat voor de andere drie krachten neutrale deeltjes bestaan die niet door de betreffende kracht worden beïnvloed. Voor de zwaartekracht bestaan dit soort deeltjes niet, alle deeltjes van protonen, elektronen, neutrino’s tot fotonen worden door de zwaartekracht beïnvloed. In de natuurkunde is men op zoek naar een theorie waarmee alle krachten, deeltjes en verschijnselen in de natuur kunnen worden beschreven. De kwantummechanica beschrijft alle krachten behalve de zwaartekracht. De relativiteitstheorie beschrijft de zwaartekracht. Tot nu toe is het alleen gelukt om de kwantummechanica en de speciale relativiteitstheorie samen te voegen. Dit heeft geleid tot de kwantumveldentheorie, maar tot nu toe is elke poging om de kwantummechanica te verenigen met de algemene relativiteitstheorie mislukt. De beste kandidaten op dit moment zijn de snaartheorie en de loopkwantumzwaartekracht. De kwantumveldentheorie is voor eenvoudige atomen tot op 0.0000000001 % in overeenstemming met de experimenten. Bij ingewikkeldere systemen ligt de beperking vaak in de kracht van de huidige computers die de vergelijkingen moeten uitrekenen. Het is de beste theorie die natuurkundigen ooit hebben gemaakt. Helaas hebben zowel de kwantumveldentheorie als de algemene relativiteitstheorie hun beperkingen. De kwantumveldentheorie voorspelt onzin als de zwaartekracht een dominante rol gaat spelen en de algemene relativiteitstheorie voorspelt onzin als kwantummechanische aspecten een rol gaan spelen. Beide theorieën voldoen prima in hun eigen geldigheidsbereik maar mislukken hopeloos zodra we daar buiten gaan. Een nieuwe theorie die zowel de relativiteitstheorie als de kwantumveldentheorie omvat, maar diens geldigheidsbereik groter is dan dat van de afzonderlijke theorieën, is nodig.


48/56

VWO

BIJLAGE: Behoud van vierdimensionale impulsvector. Het eerste deel van deze berekening is relatief eenvoudig. Vanaf blz. 53 wordt het een stukje ingewikkelder. Bob en Bianca nemen een instabiel deeltje met massa M waar dat in twee gelijke delen uit elkaar valt. Ten opzichte van het assenstelsel van Bob en Bianca staat het instabiele deeltje stil. De massa (m) van de twee delen is gelijk en er geldt dat de massa van de twee delen voldoet aan: m = m 1 = m 2 = 2/ 5 ∙M.

Welke snelheid moeten de twee delen hebben volgens Bob en Bianca? (vierdimensionale impulsvector) voor :

pvoor = M ∙ veigen = M ∙ (γ ∙ c, 0, 0, 0) = (1 ∙ M ∙ c, 0, 0, 0) = (M ∙ c, 0, 0, 0)

(vierdimensionale impulsvector) na :

pna = p1 + p2 ∗ deel 1: p1 = m1 ∙ veigen = m ∙ (γ(v1 ) ∙ c, γ(v1 ) ∙ v1 , 0,0) ∗ deel 2:

⇒ pna

p2 = m2 ∙ veigen = m ∙ (γ(v2 ) ∙ c, γ(v2 ) ∙ v2 , 0,0) = p1 + p2 = (m ∙ γ(v1 ) ∙ c + m ∙ γ(v2 ) ∙ c, m ∙ γ(v1 ) ∙ v1 + m ∙ γ(v2 ) ∙ v2 , 0, 0)

Impulsbehoud in x-richting (tweede component van viervector): pvoor = pna ∗ pvoor = 0 ∗ pna = p1 + p2 = m ∙ γ(v1 ) ∙ v1 + m ∙ γ(v2 ) ∙ v2 ⇒ 0 = m ∙ γ(v1 ) ∙ v1 + m ∙ γ(v2 ) ∙ v2 ⇒ 0 = γ(v1 ) ∙ v1 + γ(v2 ) ∙ v2 ⇒ v1 = − v2

Energiebehoud (eerste component van viervector): Evoor = Ena ∗ Evoor = M ∙ c ∗ Ena = E1 + E2 = m ∙ γ(v1 ) ∙ c + m ∙ γ(v2 ) ∙ c ⇒ M ∙ c = m ∙ γ(v1 ) ∙ c + m ∙ γ(v2 ) ∙ c M ⇒ = γ(v1 ) + γ(v2 ) m 5 ⇒ = γ(v1 ) + γ(v2 ) 2 5 ⇒ = 2 ∙ γ(v) want v1 = − v2 2


49/56

VWO ⇒ ⇒

5 =2∙ 2 5 = 4

1

2

�1 − �v� c 1 2

�1 − �v� c

v 2 4 ⇒ �1 − � � = c 5

v 2 16 ⇒ 1−� � = c 25 v 2 9 ⇒� � = c 25 3 ⇒v= ∙c 5 3 ⇒ v1 = ∙ c en 5

3 v2 = − ∙ c 5

Is de vierimpuls behouden?

pna = p1 + p2 = (m ∙ γ(v1 ) ∙ c + m ∙ γ(v2 ) ∙ c, m ∙ γ(v1 ) ∙ v1 + m ∙ γ(v2 ) ∙ v2 , 0, 0) 1 5 ∗ γ(v1 ) = γ(v2 ) = = 2 4 �1 − �3� 5 5 5 5 5 ⇒ pna = (m ∙ ∙ c + m ∙ ∙ c, m ∙ ∙ v1 + m ∙ ∙ v2 , 0, 0) 4 4 4 4 2 ∗m= ∙M 5 2 5 2 5 2 5 3 2 5 3 ⇒ pna = ( ∙ M ∙ ∙ c + ∙ M ∙ ∙ c, ∙ M ∙ ∙ � ∙ c� + ∙ M ∙ ∙ �− ∙ c� , 0, 0) 5 4 5 4 5 4 5 5 4 5 10 10 30 30 ⇒ pna = ( ∙ M ∙ c + ∙ M ∙ c, ∙M∙c− ∙ M ∙ c, 0, 0) = (M ∙ c, 0, 0, 0) 20 20 100 100

Dit is exact wat we hadden voor p voor . Dus ja, de vierdimensionale impulsvector is behouden.


50/56

VWO Is energie behouden? E voor : E = Emassa + Ekin = M0 ∙ c 2 + (γ − 1) ∙ M0 ∙ c 2 = γ ∙ M0 ∙ c 2 = M0 ∙ c 2 E na :

Of

E = Emassa,1 + Ekin,1 + Emassa,2 + Ekin,2

5 ⇒ E = 2 ∙ (m0 ∙ c 2 + (γ − 1) ∙ m0 ∙ c 2 ) = 2 ∙ �m0 ∙ c 2 + � − 1� ∙ m0 ∙ c 2 � 4 1 10 ∙ m0 ∙ c 2 ⇒ E = 2 ∙ �m0 ∙ c 2 + ∙ m0 ∙ c 2 � = 4 4 2 ∗m= ∙M 5 10 2 ⇒E= ∙ � ∙ M0 � ∙ c 2 = M0 ∙ c 2 4 5

⇒ Evoor = Ena

E voor : E = γ ∙ M0 ∙ c 2 = M0 ∙ c 2

E na :

5

5

E = E1 + E2 = γ(v1 ) ∙ m ∙ c 2 + γ(v2 ) ∙ m ∙ c 2 = 4 ∙ m ∙ c 2 + 4 ∙ m ∙ c 2 = 2 ∗m= ∙M 5 10 2 ⇒E= ∙ � ∙ M0 � ∙ c 2 = M0 ∙ c 2 4 5

10 4

∙ m ∙ c2

⇒ Evoor = Ena

Hier zie je dus een voorbeeld van hoe massaenergie wordt omgezet in kinetische energie. Zoals reeds eerder gezegd is dit wat er in kerncentrales en sterren voortdurend gebeurt. Geldt dit resultaat ook voor een waarnemer die met een zekere snelheid beweegt ten opzichte van deze reactie?


51/56

VWO Stel Robin en Rebecca nemen deze reactie eveneens waar. Robin en Rebecca bewegen met een snelheid van +2/ 3 ten opzichte van het instabiele deeltje met massa M.

Ten opzichte van Robin en Rebecca heeft het instabiele deeltje een zekere snelheid. Deze snelheid zou je kunnen berekenen met onderstaande formule. v + u′ u′ ∙ v 1+ 2 c 2 + u′ 3 ⇒0=

u=

2 u′ ∙ 3 1+ 2 1 2 ⇒ u′ = − ∙ c 3

De formule geeft precies het resultaat dat je verwacht. (vierdimensionale impulsvector) voor : 2

2

2

3

2

pvoor = M ∙ veigen = M ∙ (γ(3) ∙ c, γ(3) ∙ −3, 0, 0) = (5√5 ∙ M ∙ c, −5√5 ∙ M ∙ c, 0, 0)

(vierdimensionale impulsvector) na :

pna = p1 + p2 ∗ deel 1: p1 = m1 ∙ veigen = m ∙ (γ(v1 ) ∙ c, γ(v1 ) ∙ v1 , 0,0) ∗ deel 2:

⇒ pna

p2 = m2 ∙ veigen = m ∙ (γ(v2 ) ∙ c, γ(v2 ) ∙ v2 , 0,0) = p1 + p2 = (m ∙ γ(v1 ) ∙ c + m ∙ γ(v2 ) ∙ c, m ∙ γ(v1 ) ∙ v1 + m ∙ γ(v2 ) ∙ v2 , 0, 0)

Impulsbehoud in x-richting (tweede component van viervector): pvoor = pna

2

∗ pvoor = −5√5 ∙ M ∙ c

∗ pna = p1 + p2 = m ∙ γ(v1 ) ∙ v1 + m ∙ γ(v2 ) ∙ v2 2

⇒ −5√5 ∙ M ∙ c = m ∙ γ(v1 ) ∙ v1 + m ∙ γ(v2 ) ∙ v2 M ∙ c = γ(v1 ) ∙ v1 + γ(v2 ) ∙ v2 m ⇒ −√5 ∙ c = γ(v1 ) ∙ v1 + γ(v2 ) ∙ v2 2

⇒ −5√5 ∙


52/56

VWO Energiebehoud (eerste component van viervector): Evoor = Ena ⇒

3

∗ Evoor = 5√5 ∙ M ∙ c

∗ Ena = E1 + E2 = m ∙ γ(v1 ) ∙ c + m ∙ γ(v2 ) ∙ c

3 √5 ∙ 5

M ∙ c = m ∙ γ(v1 ) ∙ c + m ∙ γ(v2 ) ∙ c

M = γ(v1 ) + γ(v2 ) m 3 ⇒ 2√5 = γ(v1 ) + γ(v2 ) 3

⇒ 5√5 ∙

Je hebt nu een stelsel van twee vergelijkingen 1) −√5 ∙ c = γ(v1 ) ∙ v1 + γ(v2 ) ∙ v2 2)

3 √5 2

= γ(v1 ) + γ(v2 )

De oplossing van dit stelsel luidt: 1

v1 = −9 ∙ c

en

19

v2 = −21 ∙ c

Als je wilt weten hoe je een dergelijk stelsel kunt oplossen lees dan ook de laatste bladzijden van deze bijlage. Is dit resultaat in overeenstemming met de waarden die Bob en Bianca hebben gevonden? Bob en Bianca hebben waargenomen dat het in hun assenstelsel het stilstaande instabiele deeltje met massa M uit elkaar valt in twee delen met massa m die met een snelheid van 3/ 5 respectievelijk -3/ 5 uit elkaar bewegen. Deze snelheden worden in het assenstelsel van Robin en Rebecca waargenomen als: v + u′ u= u′ ∙ v 1+ 2 c 2 + u′ 3 3 ⇒− = 2 5 u′ ∙ 3 1+ 2 1 19 ⇒ u′ = − ∙ c 21

v + u′ u′ ∙ v 1+ 2 c 2 + u′ 3 3 ⇒+ = 2 5 u′ ∙ 3 1+ 2 1 1 ⇒ u′ = − ∙ c 9 u=

Dit zijn dezelfde snelheden. Er is dus overeenstemming! Door gebruik te maken van de vierdimensionale impulsvector is energie- en impulsbehoud dus niet meer waarnemerafhankelijk zoals dat bij de driedimensionale impulsvector wel het geval was. Relativiteitstheorie R.H.M. Willems

53/56

VWO Hoe kun je een dergelijk stelsel oplossen? Rekentoets niveau 3F? …… pha!! ...... dit is pas rekenen. Overigens is deze methode algemeen bruikbaar voor relativistische botsingen, dus het is zeker een handige methode om toe te voegen aan je algemene rekenvaardigheden. 1)

2)

−√5

∙ c = γ(v1 ) ∙ v1 + γ(v2 ) ∙ v2

3 √5 2

= γ(v1 ) + γ(v2 )

Stel voor het gemak: −√5 = 𝐴𝐴 en 32√5 = 𝐵𝐵 1) A = 2) B =

v1

�1 − v12 1

�1 − v12

+

+

v2

�1 − v22 1

�1 − v22

Neem de som en het verschil van de beide vergelijkingen. 1) A + B =

2) A − B =

v1 + 1

�1 − v12 v1 − 1 �1 − v12

+ +

v2 + 1

�1 − v22 v2 − 1 �1 − v22

Met 1 − x 2 = (1 + x)(1 − x) is dit te schrijven als 1) A + B = 2) A − B =

v1 + 1

�(1 − v1 )(1 + v1 ) v1 − 1 �(1 − v1 )(1 + v1 )

Met x + 1 = √x + 1 ∙ √x + 1 1) A + B = 2) A − B =

1) A + B =

2) A − B =


� v1 + 1 ∙ � v1 + 1

�(1 − v1 )(1 + v1 ) � v1 − 1 ∙ � v1 − 1

�(1 − v1 )(1 + v1 ) � v1 + 1 �1 − v1

� v1 − 1 �1 + v1

+ +

+ +

+ +

� v2 + 1

v2 + 1

�(1 − v2 )(1 + v2 ) v2 − 1

�(1 − v1 )(1 + v1 ) � v2 + 1 ∙ � v2 + 1

�(1 − v2 )(1 + v2 ) � v2 − 1 ∙ � v2 − 1

�(1 − v1 )(1 + v1 )

�1 − v2

� v2 − 1 �1 + v1

54/56

VWO Stel

� v1 +1 �1− v1

� v2 +1

= P en

�1− v2

1) A + B = P + Q 1 1 2) A − B = − − P Q

=Q

P2 −1

Q2 −1

(tevens geldt dan v1 = 1+P2 en v2 = 1+Q2)

1) P = A + B − Q 1 1 2) A − B = − − P Q

Substitueer vergelijking 1 in vergelijking 2 1) P = A + B − Q 2) A − B = −

1 1 − A+B−Q Q

Vergelijking 2 is te schrijven als een kwadratische vergelijking in Q. (B − A) ∙ Q2 + (A2 − B2 ) ∙ Q + A + B = 0 ⇒Q=

−(A2 − B2 ) ± �(A2 − B2 )2 − 4 ∙ (B − A) ∙ (A + B) 2 ∙ (B − A)

Met −√5 = 𝐴𝐴 en 32√5 = 𝐵𝐵 levert dit (je kunt ook alles gewoon met je rekenapparaat uitrekenen): ⇒Q= ⇒Q=

⇒Q=

1 −614 ± �3916 − 25

−614

5√5 ± 334

5√5 en

2 √5 5

1

Q = 10√5

Substitutie van Q in vergelijking 1 geeft dan: 1

⇒ P = 10√5


en

2

P = 5√5

55/56

VWO P2 −1

Q2 −1

Met dan v1 = 1+P2 en v2 = 1+Q2 levert dit uiteindelijk:

2 2 � −1 √5� P −1 19 P −1 1 5 v1 = = = − en v = = 1 2 2 =− 2 2 1+P 21 1+P 9 1 2 1 + �10 √5� 1 + � √5� 5 2

2 1 �10 √5� − 1

2

2 2 2 1 2 � � − 1 −1 √5� √5� Q −1 1 Q −1 19 10 5 = = − en v = = v2 = 2 2 2 =− 2 2 9 21 1+Q 1+Q 2 1 1 + � √5� 1 + �10 √5� 5 2

Ter geruststelling, dit laatste stuk (vanaf blz. 53) hoef je niet te kennen voor je examen.


56/56

Relativiteitstheorie VWO

Recommend Documents