Om de relativiteitstheorie en in het bijzonder de relativistische mechanica goed te kunnen begrijpen is het nodig om haar te vergelijken met de niet-relativistische mechanica. We moeten daarbij nagaan wat de verschillen maar ook wat de overeenkomsten tussen beide zijn.
Wat men nu meestal niet-relativistische mechanica noemt, was natuurlijk rond 1900 gewoon de mechanica zonder meer, een als algemeen geldig beschouwde theorie, gebaseerd op ideeën van Galileo en vooral Newton, en daarna door vele anderen verder uitgewerkt tot een bevredigend en sluitend geheel. We zullen de aanduiding Newtonse mechanica gebruiken. De relativistische mechanica zullen we ook wel Einsteinse mechanica noemen.
Er is in de natuurkunde een belangrijk algemeen principe dat betrekking heeft op het verband tussen waarnemingen van dezelfde fysische verschijnselen in verschillende coördinaatsystemen. Het zegt ruwweg dat er op een bepaalde manier geen absoluut onderscheid gemaakt kan worden tussen rust en beweging die rechtlijnig is en constante snelheid heeft.
Denk aan de situatie in een rijdende trein: Stel dat we ons in een trein bevinden die met een constante snelheid over een rechte spoorbaan rijdt. De rails is een ideale rails; we voelen geen schokken. Zolang we niet naar buiten kijken merken we niets van de snelheid van de trein . We kunnen in onze trein allerlei mechanische proeven doen. De resultaten beschrijven we in termen van een ruimtelijk assenstelsel. Het natuurlijke assenstelsel in onze situatie is vanzelfsprekend een rechthoekig stelsel dat met de trein meebeweegt. We vinden dan dat alles precies gaat zo als we het gewend zijn; de mechanische wetten geschreven in de coördinaten van dit stelsel hebben de gebruikelijke vorm.
Dit principe is voor het eerst opgemerkt in het kader van de Newtonse mechanica. Later is men het gaan beschouwen als iets dat geldig zou moeten zijn voor alle fysische verschijnselen: Men veronderstelt dan algemeen dat de natuurwetten het zelfde zijn in coördinaatstelsels die zich met eenparige rechtlijnige snelheden ten opzichte van elkaar bewegen. Dit principe wordt wel het principe van de relativiteit van beweging of kortweg het relativiteitsprincipe genoemd. In deze zin moeten we dus de Newtonse mechanica als ``relativistisch'' beschouwen!
In de tweede helft van de 19e eeuw werd door Maxwell een theorie geformuleerd die op een samenhangende manier alle electromagnetische verschijnselen beschreef. Deze theorie werd naast de mechanica de tweede pijler waarop het gebouw van de klassieke natuurkunde kwam te rusten. Het belangrijkste element in de Maxwellse theorie is het begrip veld. Hiervoor geldt een stelsel van algemene vergelijkingen. Het bleek dat ook licht van electromagnetische aard is: Het is een golfbeweging die zich volgens de Maxwellse vergelijkingen in het vacuum met een constante snelheid voortplant. Deze snelheid is gemeten en bedraagt ongeveer 300.000 km per seconde. Men zou verwachten dat twee waarnemers die zich ten opzichte van elkaar bewegen andere snelheden voor het licht zouden moeten vinden. Dit blijkt niet zo te zijn, zoals geconcludeerd kan worden uit experimenten die in 1887 door Michelson en Morley werden gedaan. We zullen dit verderop uitleggen en laten zien hoe dit op het eerste gezicht in tegenspraak is met de ideeën achter het relativiteitsprincipe. Einstein analyseerde deze situatie en merkte op dat de gebruikelijke interpretatie van het relativiteitsprincipe weliswaar erg voor de hand lag, maar toch niet de enigst mogelijke was. Hij introduceerde een nieuwe minder vanzelfsprekende interpretatie, waarmee het mogelijk was om de contradicties op te heffen; dit werd het uitgangspunt van zijn speciale relativiteitstheorie. We gaan een en ander nu in detail bespreken.
Samenvattend:
De klassieke natuurkunde (de natuurkunde voor ongeveer 1900) bestond
uit
1. Newtonse mechanica
2. Maxwellse theorie van het electromagnetisme.
Men kende een principe van de relativiteit van beweging. Het was geldig voor de mechanica. Voor het electromagnetisme leidde het tot een contradictie. Einstein gaf een nieuwe interpretatie van dit principe. Hierdoor verdween de contradictie en ontstond de speciale relativiteitstheorie