F:\VESTA\Gescande Vesta`s\Vesta 062\Kuijt 62.wpd

EINSTEIN IV (Slot)
Met dit deel zullen we de artikelenreeks betreffende Einstein afsluiten, en deze was niet
gering. In de periode '91-'93 verschenen 8 afleveringen betreffende de Speciale Relativiteitstheorie (SRT) en vanaf '93, 7 artikelen betreffende de Algemene Relativiteitstheorie (hierna
ART genoemd).
Deze grote aandacht voor Einstein in een sterrenkundig blad als 'VESTA" is m.i. niet
misplaatst. Hawkins schreef in 'De aard van ruimte en tijd' (1996, ruim 40 jaar na de dood van
Einstein) dat het werk van Einstein van fundamentele, ja onontbeerlijke betekenis is geweest
voor een (beter) begrip van het ontstaan en de aard van het heelal !
Toch is de levensloop van de geniale man in feite een anticlimax geweest. Zoals U weet,
schreef hij reeds op jeugdige leeftijd (hij was toen 26 jaar, zie ook VESTA nr. 42) 4 zeer
belangrijke artikelen, elk goed voor het verkrijgen van een Nobelprijs !
Beroemd is hij echt geworden door zijn in 1906 gepubliceerde Speciale Relativiteit (E = m.c²
!), maar vooral de ART, (in feite de verbeterde versie van de zwaartekrachtstheorie van
Newton), gepubliceerd in 1917, was voor de kosmologie van fundamenteel belang.
Een belangrijk gevolg van de ART was de voorspelling van het bestaan van zwarte gaten (zie
VESTA nrs. 51 en 53) waarbij (een grote hoeveelheid) massa ineenstort tot een punt: een
singulariteit genoemd.
Maar .. toen kwam een andere zéér belangrijke ontdekking, die werkelijk minstens zo grondig
als de SRT en de ART de fundamenten van de fysica deed schudden: het golfkarakter van de
materie: Massadeeltjes kunnen ook als
golfjes voorgesteld worden met een golflengte (lambda) = h/mv .
In het atoommodel van Bohr draaien elektronen om de kern in speciale banen, waarbij de
omtrek van de baan een geheel aantal malen de bijbehorende golflengte is.
Konsekwentie van deze theorie is, dat een deeltje niet meer als een punt voorgesteld wordt,
maar uitgesmeerd over de ruimte.
De preciese plaats van het elektron kan niet meer aangegeven worden; er is sprake van een
onzekerheid ! (Onzekerheidsrelatie van Heisenberg). En deze onzekerheid kon Einstein niet
accepteren !
Beroemd geworden is het debat in 1927 tussen Einstein ('God dobbelt niet !') en Bohr,
waarbij Bohr overtuigend als winnaar te voorschijn kwam.
Het golfkarakter van de materie was de aanzet tot de zg. kwantumtheorie, waaruit de
kwantummechanica is ontwikkeld.
Het niet willen aanvaarden van deze kwantumtheorie was de grootste blunder die Einstein
begaan heeft en zijn latere leven in zekere zin vergald.
Een andere 'blunder', het invoeren ven de z.g.. 'kosmologische constante' om daarmee het niet
inkrimpen (exploderen) van het heelal te kunnen verklaren, gaf hij wél toe maar achteraf
bleek dat idee niet eens zo verkeerd, toen Hubble experimenteel aantoonde, dat het heelal
inderdaad explodeert !
De laatste dertig jaar bracht Einstein door met het trachten samen te brengen van zwaartekracht en elektriciteit. Maar helaas, dit werk bleek vruchteloos door het niet willen aanvaarden van de kwantumtheorie. In 1955 stierf Einstein als een ontgoocheld man, maar desondanks blijft Einstein één der grootste, zo niet dé grootste aller tijden.
HET 'POST' EINSTEIN TIJDPERK
Na de dood van Einstein bleef men met een levensgroot probleem zitten: in de ART was het
onzekerheidsprincipe niet opgenomen en in die zin was de ART een 'klassiek theorie'.
Voor de toepassing van de ART in de astronomie was dat geen enkel probleem, maar wel
voor de beschrijving van de microcosmos, zoals die van het de elementairdeeltjes en ook het
atoom. Hier kwam de ART in de problemen en nog steeds is op dat terrein geen oplossing
gevonden: hier zijn de ART en de kwantummechanica met elkaar in strijd.
Neem nu de kwestie van de zwarte gaten: volgens Einstein krimpt de massa ineen tot een
punt, een singulariteit. Het kleinst mogelijke zwarte gat heeft de z.g.. Planck-massa:
m = 10 -10 kg.
De dichtheid hiervan komt overeen met die van het heelal in een zéér vroeg stadium.
De 'leeftijd van het heelal is dan 10-43 s !
Men is niet in staat het heelal tussen t = 0 en dat tijdstip te beschrijven. Dan komen ART en
de kwantummechanica met elkaar in conflict: volgens de ART (Einstein) is de afmeting van
het heelal dan een punt (een singulariteit), volgens de kwantummechanica tgv het onzekerheidsprincipe echter 'uitgesmeerd'.
Inherent aan dit probleem is het 'onder één noemer brengen' van de ons bekende krachten: de
elektrische- en magnetische kracht, de zwakke wisselwerking (verantwoordelijk voor de
radioactieve straling), de sterke wisselwerking (welke de deeltjes in de atoomkern bij elkaar
houdt) en tot slot de zwaartekracht.
De twee eerstgenoemde krachten konden al vrij snel tot één kracht, de elektromagnetische
kracht samengebracht worden.
Later is het ook gelukt om de beide wisselwerkkrachten daar bij te voegen, zodat alle
krachtwerkingen nu in één theorie (de GUT) zijn ondergebracht, met uitzondering van de
zwaartekracht. Dit in feite het gevolg van het feit dat de zwaartekracht zo ongelooflijk zwak
is in vergelijking met de andere krachten.
De theorie die de elektromagnetische kracht, de zwakke en de sterke wisselwerking omvat,
noemt men ook wel de G.U.T. : de Grand Unified Theorie.
Pas een kleine twintig jaar na de dood van Einstein werd een eerste stap gezet naar de
oplossing van dit knellende probleem: In 1974 kwam Hawkings met de theorie van de
exploderende zwarte gaten: deze zouden, ondanks het keiharde feit dat aan zwarte gaten niets
kan ontsnappen. toch straling uitzenden (zie VESTA nr. 58). Ook dat van Penrose, die kwam
met zijn 'twistor' project, moet genoemd worden.
Overigens zijn Hawkings en Penrose het lang niet met elkaar eens. Vergelijkbaar met het
beroemde debat tussen Einstein en en Bohr ('27) is het debat (in 1994) tussen deze heren,
waarbij Penrose als relativiteitstheoreticus vergelijkbaar is met Einstein en Hawkings als
kwantummechanicus met Bohr.
SUPERZWAARTEKRACHT.
In 1976 kwamen Hawkings en Penrose met hun 'superzwaartekrachttheorie om de kloof
tussen ART en de kwantumtheorie te overbruggen. In deze theorie wed een einde gemaakt
aan het onderscheid tussen de twee klassen van deeltjes:
1)
De materie deeltjes waarvan de elektronen en de quarks de belangrijkste vertegenwoordigers zijn en
2)
De krachtvoerende deeltjes, zoals de fotonen (zoals het licht), die een rol spelen bij
het elektromagnetisme en de mesons, de krachtoverbrengende deeltjes bij de kernkrachten.
Bij de vorming van materiedeeltjes gelden bepaalde wetten: wordt er een elektron gevormd,
dan dient tegelijkertijd een antideeltje, het positron gevormd worden. De vorming van een
dergelijk paar kan geschieden door annihilatie van een foton, dat zelf ook weer gevormd kan
worden door annihilatie van een materie-antimaterie deeltjespaar. (zie ook VESTA nr. 31).
Voor de overbrenging van de zwaartekracht zijn gravitonen ingevoerd (zie VESTA nr. 57).
Alhoewel de totale heelalmassa voor 99,99 (etc)% uit elektronen en quarks (de bouwstenen
van protonen en neutronen) is opgebouwd, bestaan er nog 65 andere soorten materiedeeltjes
rn naast fotonen en mesonen bestaan er 97 andere krachtvoerende deeltjes.
Uitbreidingen in de superzwaartekracht zijn de introductie van gravitino's (nog niet ontdekte
materiedeeltjes) en een kosmologische constante (door Einstein reeds ingevoerd maar later
weer herroepen) die als nieuwe kracht naar binnen toe werkt.
Er is nog een theorie, die we niet mogen vergeten te noemen bij de pogingen tot het vormen
van een volledige geünificeerd theorie (die dus ook de zwaartekracht omvat), de zg, snarentheorie. Hierin worden deeltjes niet puntvormig opgevat, maar als 'dingen' met alleen maar
lengte. Deze zg. snaren kunnen twee uiteinden hebben (open snaren), of een lus vormen
(gesloten snaar).
De ruimte-tijd diagrammen voor een punt
(zie VESTA nr. 56) zijn heir geen (wereld)lijnen, maar zg. 'wereldvlakken'.
In 1984 kwam deze theorie weer in de belangstelling. Er werd zelfs een nieuwe versie
ontwikkeld: de heterotische snaar.
tijd
open snaar
gesloten snaar
wereldvlak open snaar-
gesloten snaar
Maar .. bestaat er wel werkelijk zo'n allesomvattende theorie, waarmee werkelijk alles, tot in
de kleinste details van te voren te voorspellen is ?
We zullen ons hier niet wagen aan een beschouwing, laat staan dden beantwoording van deze
vraag. We raken dan op het terrein van de filosofie, die uiteraard belangrijke raakvclakken
heeft met wetenschap en religie en op dat terrein raakt men nooit uitgepraat, afgezien van de
vraag of het wel zinvol is. De laatste tijd worden zogenaamde wetenschapsfilosofen vaak
hardgrondig afgekraakt door diegenen, die zich echte wetenschappers noemen, maar hoho .. nu
raak ik zelf op een terrein, dat ik niet wilde betreden.
De 'Einstein series' zijn afgesloten. In het volgend nummer zullen we starten met een reeks van
onderwerpen welke de laatste ontwikkelingen op diverse gebieden weergeven (zoals reeds is
gedaan voor bv. gravitonen en neutrino's).
Jaap Kuyt..
Voor de artikelenreeks Einstein is o.m. geput uit:
Artikelen uit 'Natuur en Techniek' en NRC (Beekman, van Delft).
Einstein en HEELAL (Nigel Calder 1979).
Het HEELAL (Stephen Hawking 1988).
De aard van ruimte en tijd (Hawking en Penrose 1996).