Einstein duikt steeds weer op

De ruimtetijd is niet vlak, maar gebogen en flexibel. Zware objecten zoals sterren of zwarte gaten, buigen rechte lijnen, zoals die van het licht, een klein beetje af. beeld Caltech.edu
4

Stap voor stap ontraadselen astronomen de mysteries van het heelal. Veel laat zich nog niet zien, maar wel wiskundig beschrijven. Theorie blijkt vaak werkelijkheid en de naam die steeds weer opduikt is die van Albert Einstein.

Als het heelal leeg zou zijn, zou er toch iets overblijven: ruimte en tijd. Op aarde is iedereen gewend aan een ruimte van drie dimensies: lengte, breedte en hoogte, terwijl de klok onverstoorbaar doortikt.

Het eerste, baanbrekende idee waarmee Albert Einstein (1879-1955) in 1905 kwam, was: tijd is relatief en hangt af van de snelheid van de waarnemer. „Deze zogeheten ”speciale relativiteitstheorie” voorspelt dat als een voorwerp met grote snelheid ten opzichte van ons beweegt, wij de tijd van dat voorwerp veel langzamer zien verlopen dan iemand die met het voorwerp meereist”, omschrijft emeritus hoogleraar Edward van den Heuvel in zijn boek ”De wonderbaarlijke eenheid van het heelal”.

Het horloge van een treinpassagier loopt dus langzamer dan dat van een ongeduldige fietser die voor een spoorwegovergang staat te wachten.

De tijd is volgens de speciale relativiteitstheorie géén constante die seconde na seconde onverstoorbaar doortikt. In de dagelijkse praktijk merkt niemand hier iets van. Het effect speelt dan ook pas een rol bij snelheden die in de buurt komen van de lichtsnelheid, minstens 1 miljoen kilometer per uur.

De constante factor van tijd is in Einsteins relativiteitstheorieën vervangen door een constante lichtsnelheid, die altijd dezelfde is voor iedere waarnemer (zie ”Kosmische limiet”).

Het gevolg hiervan is dat licht van sterren op 100 lichtjaar afstand pas na 100 jaar op de aarde wordt gezien, legt Van den Heuvel uit. „Ver weg = lang geleden.” Wie zo logisch doorredeneert binnen de oerknalkosmologie komt in de knoop met de Bijbelse tijdlijn. Er zijn bijvoorbeeld sterren die op 12 miljard lichtjaar afstand van de aarde staan. Een oplossing hiervoor is nog niet zo eenvoudig (zie ”Immense afstanden in het heelal”).

Ruimtetijd

Het is de verdienste van Hermann Minkowski, de Zwitserse leermeester van Albert Einstein, dat hij inzag dat het heelal eigenlijk vierdimensionaal in elkaar steekt: driedimensionale ruimte en eendimensionale tijd vormen samen de vierdimensionale ruimtetijd. Tijd was niet langer de onveranderlijke boei waaraan je alles kon ophangen; elke gebeurtenis moet gedefinieerd worden aan de hand van ruimtetijd, legt de Nederlandse natuurkundige Yannick Fritschy uit in zijn boek ”Ruimtetijd”.

Een vierdimensionaal heelal tart elk menselijk voorstellingsvermogen. Een simpele truc om vier dimensies te visualiseren, is er gewoon één weg te laten, adviseert wetenschapsjournalist Govert Schilling in zijn boek ”Deining in de ruimtetijd”. Een van de ruimtedimensies kan overboord; er blijven dan twee ruimtedimensies en een tijddimensie over. Het resultaat is een driedimensionale ruimtetijd waarmee het menselijk voorstellingsvermogen minder moeite heeft.

Schilling: „In een tweedimensionale ruimte kunnen dingen alleen voorwaarts en achterwaarts bewegen, naar links of naar rechts. Er is geen op of neer. Laten we ons daarom concentreren op bewegingen in twee dimensies in het horizontale vlak.”

De ruimtetijd is echter niet vlak, maar gebogen en flexibel: zwaartekrachtversnelling, massa en energie oefenen er invloed op uit en veranderen de ruimtetijd plaatselijk.

Zware objecten, zoals sterren of zwarte gaten, buigen de rechte lijnen, zoals die van het licht, een klein beetje af. Daarom wijkt sterrenlicht dat langs de zon valt en vervolgens de aarde bereikt af van de rechte baan. Dat is meetbaar tijdens zonsverduisteringen.

Knikkers

De ruimtetijd is voor te stellen als een strakgespannen rubberen vel. Sterren en zwarte gaten bevinden zich in de ruimtetijd als knikkers van allerlei formaat op het rubberen vel; hoe zwaarder, hoe dieper ze in het vel wegzakken.

Wat in de dagelijkse praktijk zwaartekracht heet, wordt in de natuurkunde van Einstein ”kromming van de ruimtetijd” genoemd. Hoe zwaarder de ster of het zwarte gat, hoe dieper de put in het rubberen vel; of in natuurkundige termen: hoe sterker het object de ruimtetijd zal krommen.

In het heelal is niets zo zwaar als een zwart gat. De zwaartekracht van een zwart gat is zo groot dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen; de put is zo diep dat de knikker zelf onzichtbaar is geworden.

Laser

In de buurt van een kromming van de ruimtetijd verloopt de tijd trager. Hoe zwaarder het object, hoe langzamer de klok gaat tikken. Hoe dichter iemand bij een zwart gat komt, hoe langzamer zijn klok zal gaan lopen. Dit is de zogeheten ”gravitationele roodverschuiving” of ”gravitationele dilatatie”.

Dat verschijnsel is vrij gemakkelijk aan te tonen. Als iemand met een laser omhoogschijnt, zal op de top van een toren een andere golflengte worden gemeten. De lichtsnelheid verandert niet. Dus moet hoog op de toren de tijd iets sneller verlopen doordat de zwaartekracht er iets zwakker is.

Er bestaat ook een ”kinematische tijddilatatie”. Simpel gezegd: hoe sneller iets beweegt, hoe trager de klok er tikt. Dat verschijnsel is niet alleen een theoretische kwestie. In de praktijk moeten natuurkundigen hiermee rekening houden bij het ontwerpen van satellieten. Aanvankelijk kwamen raketten die met gps naar hun doel werden geleid verkeerd terecht. Pas na correctie volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie werkte het systeem perfect. Als software aan boord van satellieten hiervoor niet zou corrigeren, zou ook het navigatiesysteem van de auto er binnen een uur vele meters naast zitten.

Zwaartekrachtgolf

Het gelijk van Einsteins algemene relativiteitstheorie bleek in 2015 opnieuw. Toen toonden de drie Amerikaanse Nobelprijswinnaars Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne, die zondag hun prijs in de Zweedse hoofdstad Stockholm in ontvangst zullen nemen, aan dat de voorspelde zwaartekrachtgolven in werkelijkheid bestaan. Deze minuscule trillingen in de ruimtetijd worden veroorzaakt door exploderende sterren, botsende sterren, om elkaar heen draaiende en botsende zwarte gaten.

Zwaartekrachtgolven zijn geen rimpelingen in de ruimte, zoals een vallende steen die in een waterplas veroorzaakt. Ze worden vaak foutief voorgesteld als een golving in de ruimtetijd, constateert Govert Schilling.

„Een zwaartekrachtgolf in een tweedimensionale ruimte, zoals een vel grafiekpapier, moet je niet afbeelden als een golvend stuk grafiekpapier, zoals vaak gebeurt. In plaats daarvan moeten we ons een zich voortplantende rimpeling voorstellen in het tweedimensionale vlak. Het resultaat: sommige ruitjes van het grafiekpapier worden uitgerekt, andere worden samengeperst. Loodrecht op de richting van de golf wordt de ruimte beurtelings opgerekt en samengeperst. Alsof gebieden met hogere en lagere ruimtedichtheid zich door het vlak voortplanten.”

De eerste meting van de zwaartekrachtgolven door twee Amerikaanse waarnemingsstations, zogeheten LIGO-detectoren in Hanford en Livingstone, heeft een nieuwe tak van ruimteonderzoek opgeleverd. Astronomen hopen hiermee meer kennis op te doen over hoe het heelal in elkaar steekt.

Mysteries

Dat is noodzakelijk om de mysteries waar de astronomie nog steeds mee kampt, op te lossen. Schilling: „We begrijpen slechts een schamele 4 procent van de kosmos; de rest is een compleet raadsel. En een gemakkelijke oplossing voor het mysterie lijkt er ook al niet te zijn. De reis is nog lang niet voorbij, hij is nog maar net begonnen.”

Dat iets onbevattelijk is, is geen reden om aan te nemen dat het niet bestaat, schrijft Yannick Fritschy. „Dat heeft Einstein ons wel geleerd. Hij bracht ruimte en tijd bij elkaar en liet zien dat de ruimtetijd krom is. De vraag is nu: wie lost met een briljant nieuw idee de problemen op om donkere materie, donkere energie en de perfecte afstemming van het heelal te begrijpen? De ruimtetijd is rijp voor een nieuwe Einstein.”

Zie ook:

Ruim 70.000 sterrenstelsels bevestigen Einsteins gelijk.
Zwart, zwaar en zonderling.
Meting zwaartekrachtgolven mijlpaal in de natuurkunde.
Zwaartekrachtgolven en licht van botsende neutronensterren.
----

Immense afstanden in het heelal

De afstand tot sterren en sterrenstelsels in het heelal is gemakkelijk te berekenen met behulp van de lichtsnelheid. Zo staat de dichtstbijzijnde ster, Alpha Centauri, op een afstand van 40 miljoen kilometer, oftewel 4,3 lichtjaar: het licht doet er 4,3 jaar over om de aarde te bereiken.

Maar wat als er een zwart gat van 800 miljoen zonnen zwaar op 13 miljard lichtjaar afstand wordt ontdekt, zoals het wetenschappelijk tijdschrift Nature donderdag publiceerde? Is dan het licht daarvan 13 miljard jaar onderweg? Hoe past dat binnen een schepping van 6000 jaar oud?

„Dit probleem is veel ingewikkelder dan het op het eerste gezicht lijkt”, waarschuwt de Amerikaanse astronoom dr. Danny Faulkner in zijn boek ”The Created Cosmos”.

Faulkner focust op de scheppingsweek. Volgens de Bijbel zijn de sterren geschapen op de vierde scheppingsdag. De dichtstbijzijnde ster staat op een afstand van een aantal lichtjaren van de aarde. Adam en Eva zouden op de zesde scheppingsdag dus onmogelijk een ster hebben kunnen zien, wanneer de sterren op de vierde scheppingsdag hun eerste licht begonnen uit te zenden naar de aarde. Hoe valt dit te verklaren?

De Amerikaanse astronoom noemt zijn verklaring de ”dasha-oplossing”, van een Hebreeuws woord dat ”voortbrengen” of ”uitspruiten” betekent. God schiep alleen op dag één uit niets. Op de andere dagen gebruikte Hij reeds geschapen materie om iets nieuws te scheppen.

Faulkner: „Zo schiep God de planten op de derde dag. Het is belangrijk om ons te realiseren dat de vegetatie volgroeid moest zijn op de vijfde en zesde dag. Toen moesten de planten als voedsel dienen voor mens en beest.”

Waarom zou God het licht van astronomische objecten die op grote afstand van de aarde staan niet eenzelfde soort proces hebben laten ondergaan?

De dasha-theorie lost dit probleem op door aan te nemen dat God het licht van verafstaande sterren vanaf de vierde dag versneld en wonderlijk op de aarde heeft laten vallen. Faulkner: „Zoals geldt voor de hele schepping, waren ook de gebeurtenissen op de vierde scheppingsdag een wonder.”

Waar Faulkner echter geen antwoord op heeft, is hoe bijvoorbeeld licht van supernova’s op 100.000 lichtjaren afstand binnen de Bijbelse tijdlijn op de aarde kan vallen. Dat is nog een aandachtspunt voor zijn dasha-theorie.

Maar kan natuurkunde wel gebaseerd worden op wonderen? Faulkner: „Waarom is dat een probleem? Wat wij nu een wonder noemen, was gedurende de scheppingsweek de norm. Wie op zoek gaat naar natuurlijke verklaringen voor de schepping is niet anders bezig dan iemand die natuurlijke verklaringen zoekt voor andere wonderen, zoals de maagdelijke geboorte, de opstanding en de hemelvaart van Jezus Christus.”

Hoewel de Amerikaan de seculiere oerknalkosmologie in zijn boek ”The Expanse of Heaven” afwijst, merkt hij op dat de oerknal wel aanwijst dat het heelal een begin heeft. „Dat is winst, omdat veel wetenschappers lange tijd hebben aangenomen dat het heelal eeuwig was.”

En wat een begin heeft, heeft een oorzaak; het universum dus ook. Faulkner verwijst naar het ”kalam kosmologische argument” van de Amerikaanse christelijke filosoof dr. William Lane Craig. Die stelt dat deze Oorzaak een aantal bijzondere eigenschappen moet hebben; Hij moet bijvoorbeeld almachtig en immaterieel zijn en buiten de ruimtetijd staan. Faulkner: „Deze eigenschappen passen wonderwel bij de God van de Bijbel.”

Zie ook:

Bijbelse blik op verre sterren.
Heelal krachtig argument voor het bestaan van God.
----

Kosmische limiet

Een belangrijke pijler in Einsteins speciale relativiteitstheorie is: niets is sneller dan licht. Zou iemand zich sneller dan het licht kunnen voortbewegen, dan loopt in zijn waarneming de klok terug. Theoretisch zouden oorzaak en gevolg kunnen worden omgekeerd. Dat leidt tot allerlei absurditeiten. Iemand zou een bericht kunnen sturen naar het verleden en daarmee in theorie zelfs zijn eigen geboorte kunnen voorkomen. Zelfs Einstein kwam daar niet uit, somt Yannick Fritschy op in ”Ruimtetijd”.

De lichtsnelheid (299.792 kilometer per seconde) is volgens Einstein dan ook een kosmische limiet: sneller dan het licht gaat er niets.

Wanneer een deeltje de lichtsnelheid benadert, kan het onmogelijk nog verder versnellen. Uit Einsteins formule E=mc2 volgt namelijk dat naarmate een deeltje sneller gaat (en dus meer bewegingsenergie heeft), het deeltje steeds zwaarder wordt.

Kernfysici die subatomaire deeltjes onderzoeken in deeltjesversnellers, zoals de LHC van het CERN in Genève, maken dankbaar gebruik van dit gegeven. Zo konden ze in 2013 voor het eerst het higgsdeeltje aantonen.

Zie ook:

Higgsdeeltje reden dat materie bestaat.
Higgsdeeltje bestaat echt.
----

Boekgegevens

”Ruimtetijd. Hoe Einstein het heelal een vierde dimensie gaf”, Yannick Fritschy; uitg. Veen Media, Utrecht, 2017; ISBN 978 90 857 1603 7; 104 blz.; € 10,-;

”Deining in de ruimtetijd. Einstein, zwaartekrachtgolven en de toekomst van de astronomie”, Govert Schilling; uitg. Fontaine Uitgevers, Hilversum, 2017; ISBN 978 90 595 6760 3; 366 blz.; € 24,95;

”De wonderbaarlijke eenheid van het heelal en de oorsprong hiervan in de oerknal”, Edward van den Heuvel; uitg. Prometheus, Amsterdam, 2017; ISBN 978 90 446 3405 1; 258 blz.; € 24,99;

”The Created Cosmos. What the Bible reveals about Astronomy”, Danny Faulkner; uitg. Master Books, Green Forest, 2016; ISBN 978 0 890 51973 8; 352 blz.; € 20,-;

”The Expanse of Heaven. Where Creation and Astronomy intersect”, Danny Faulkner; uitg. Master Books, Green Forest, 2017; ISBN 978 1 683 44098 7; 352 blz.; € 20,-.