de inhoud

-1-
1. Gallelujah
1.1 Aanloop naar Galileï
Het zelfbewustzijn is één van de grootste geschenken geweest die de mens van de natuur
heeft ontvangen. We weten dat we bestaan, als enige soort op aarde dan nog wel. Met de
komst van dit bewustzijn, gaat de logische zoektocht gepaard met het waarom van het
bestaan. De meest natuurlijke gedachtegang is de hoogst mogelijke functie als antwoord
op deze vraag te beschouwen. We moeten wel de hoeders van de aarde zijn!
In dit paragraafje toon ik aan hoe de kijk op onze plaats in het heelal sinds het begin van
de mensheid geëvolueerd is, meestal geleidelijk, maar ook soms bruusk door de lancering
van een nieuwe theorie die loodrecht insloeg op de heersende gedachtegang van het
moment.
1.1.1 Geesten beheersen onze wereld
Wat doet de wind als hij niet waait? Wat is nu eigenlijk die witte schijf mysterie die ’s
nachts over ons waakt?
Dit waren de vragen die de voorouders van de Neanderthalers 100 000’en jaren geleden
al bezighielden. Ze schetsten een vertrouwd wereldbeeld met menselijke afmetingen, dat
door geesten werd beïnvloed. Zo had je de geest van de maan die enkel ’s nachts
aanwezig was, terwijl de geest van de bomen bloemen in vruchten omtoverde. Je kon
deze geesten niet zien, maar ze moesten er wel zijn! Een andere verklaring voor de vele
ingewikkelde verschijnselen bestond er niet. Om deze geesten gerust te stellen en om de
doden te behoeden voor hun krachten, waren de Neanderthalers de eersten die hun doden
begroeven. De link tussen fysische verschijnselen en godsdienst werd meteen gelegd.
Zo’n 10 000 jaar geleden ontstonden de eerste ‘hoogstaande’ beschavingen op onze
aarde. De mensen uit die tijd hadden een mythisch wereldbeeld dat door goden werd
beheerst. Het ontstaan van het heelal was een gevolg van handelingen van goden, net
zoals ook het opkomen en ondergaan van de zon het gevolg was van liefdesspelletjes bij
-2deze onsterfelijke opperwezens. Zo dachten de Babyloniërs (ca. 5000 jaar geleden) dat er
ergens tussen de wolken een familie van goden woonde.
In het Chinese heelal bestonden dan weer geen verpersoonlijkingen van de goden. De
wereld was ontstaan uit het wederzijdse en dynamische effect van twee tegengestelde
krachten, yin en yang (zie figuur). De hemel was yang, de mannelijke, scheppende en
sterke kracht, terwijl yin de vrouwelijke en moederlijke kracht voorstelde. Deze twee
polaire krachten volgden elkaar op in een eeuwige cyclus.
1.1.2 Aarde als middelpunt van het heelal
In de zesde eeuw voor Christus beheersten de Grieken de Zuid-Europese contouren. Op
gebied van cultuur versloegen ze zonder twijfel elke andere toenmalige beschaving uit
deze streken. Bovendien waren zij de eersten die op een wetenschappelijke manier de
beweging van hemellichamen (voornamelijk planeten) maten en waarnamen. Ze waren
ervan overtuigd dat men enkel natuurlijke verschijnselen kon waarnemen als men zich
blindelings aan de goden overgaf.
De aarde stond centraal in hun geocentrisch wereldbeeld. Ze dachten met andere woorden
dat alle hemellichamen rond de onbeweeglijke aarde draaiden.
Plato1 beschouwde het heelal, met de wereldbol in het midden, als een immense bol waar
planeten en sterren dagelijks ronddraaiden.
Dit noemt men het beeld van de 2 sferen2. De afwijkende beweging van sommige
planeten bleef echter onverklaard.
1
Plato (427 a.D. – 347 a.D.): Bekendste leerling van Socrates.
2
Een sfeer is de loopbaan die een hemellichaam beschrijft in de ether. De ether is een denkbeeldige fijne
stof die de gehele wereldruimte en alle niet door materie ingenomen ruimten vult.
-3Eudoxus, een tijdgenoot van Plato, dacht hierop het antwoord te hebben gevonden.
Volgens hem was de aarde inderdaad een onbeweegbare bol, maar bevond ze zich in een
33-sferenstelsel. Dit stelsel werd later nog verder aangepast door Ptolemaeus.
Een kleine driehonderd jaar later kwam de alom geprezen en zeer gerespecteerde
Aristoteles met een nieuwe theorie op de proppen. Hij deelde het heelal in twee, met de
maansfeer als scheidingslijn. De aarde en de maan vormden samen een veranderende en
onvolmaakte wereld die enkel uit leven, ellende, dood en de vier oerelementen –vuur,
water, aarde en lucht- bestond. De zon, de planeten en de sterren beschouwde hij als een
deel van de hogere sferen. Het systeem van de sferen bleef dus wel behouden.
Onder andere door het respect dat Aristoteles had verworven, bleef deze kijk op de
wereld twee millennia lang onveranderd!
1.1.3 Invloed van de Kerk
Met de komst van de christelijke wereld werd dit wereldbeeld echter in vraag gesteld. De
christenen vonden dat de rol van God veel te vaag bleef in dit hele systeem. Thomas van
Aquino1 voegde dan ook de zogenaamde primaire sfeer toe. God woonde voorbij de
primaire sfeer om over het heelal te waken. De engelen woonden in de sferen van de
planeten en de zon en duwden zo de sferen rond. Hoe dichter bij God, hoe heiliger de
omgeving werd. Hoe dichter men bij de aarde (die symbool stond voor het
materialistische) kwam, hoe duivelser men de streek achtte.
1.1.4 Zon als middelpunt van het heelal
In 1543 bracht de Pool Nicolaus Copernicus met zijn werk ‘De Revolutionibus Orbium
Caelestium’ (‘Over de omwentelingen van de hemelse sferen’) een intellectuele revolutie
teweeg. Daarin stelde hij dat de aarde niet centraal staat in het heelal, maar wel de zon
(= heliocentrisme). Met andere woorden: de mens verloor zijn centrale plek in het heelal.
Hij bleek niet langer de lieveling van God!
1
Thomas van Aquino: Monnik uit de 13e eeuw.
-4De aarde werd verbannen naar de hogere sferen zoals alle andere planeten. Volgens
Copernicus was de aarde echter onvolmaakt en veranderlijk, wat betekende dat ‘het
tijdelijke’ ook heerste in de wereld van God, in tegenstelling tot wat Aristoteles eerder
had beweerd. Het Copernicaans heelal was zeer groot, waardoor het formaat en dus ook
het belang van de aarde aanzienlijk daalden. Vòòr Copernicus bleef het heelal beperkt tot
ons zonnestelsel. Men dacht toen dat de buitenste sfeer van de sterren slechts een beetje
verder afgelegen lag dan de sfeer van Saturnus. Nu beschouwde men dankzij Copernicus
het heelal veel uitgebreider dan dit, hoewel het nog steeds eindig was en begrensd door
de buitenste, onbeweeglijke sfeer van de sterren. Hij maakte komaf met het gezag van
Aristoteles en Ptolemaeus en de dogma's van de rooms-katholieke Kerk.
Copernicus’ werk werd tot de achttiende eeuw door de inquisitie op de Index1 geplaatst.
1.1.5 Sferenbeeld onder vuur
Tycho Brahe2 toonde in 1577 aan dat de verschijning
van de komeet geen verschijnsel was in de aardse
atmosfeer (cfr. regenboog ). De komeet bevond zich
dichter dan verre sterren, omdat het sneller bewoog dan
die sterren, maar bewoog tegelijkertijd trager dan de
maan, waardoor het verder af lag dan de maan. Het
vergelijken van snelheden waarmee iets beweegt, was
één van de enige “wetenschappelijke” waarnemingsmethoden vòòr de komst van de
telescoop. Bovendien stelde Brahe vast dat de baan van de komeet ovaal was: niet
cirkelvormig zoals men van de volmaaktheid verwachtte. Daarbij kwam nog eens dat de
komeet dwars door de vaste sferen bewoog, waardoor deze helemaal niet vast konden
zijn. Op één vraag heeft Tycho Brahe echter nooit een antwoord kunnen geven: waarom
vallen planeten niet als ze zich niet in een vaste sfeer bevinden?
1
Index (voluit: Index librorum prohibitorum= lijst van verboden boeken): Een uiteindelijk door de Paus
vastgestelde lijst van boeken die katholieken niet mochten lezen, omdat ze door de Katholieke Kerk
verwerpelijk werden geacht. In 1966 maakte Paus Paulus VI een eind aan de Index.
2
Tycho Brahe (1546-1601): Deens astronoom.
-51.2 Galileï
De Kerk had een grote invloed op de gedachtegang van de mensen. Indien men aan de
zevendaagse schepping van de aarde twijfelde, of aan enig andere ‘theorie’ die de Kerk
voorlegde, was men geen goed christen en zou men naar de hel gaan.
Dankzij mensen, echte wetenschappers, zoals Copernicus en Galileï die zich niets
aantrokken van wat de Kerk hen voorschreef, was de wetenschap in een
stroomversnelling terecht geraakt, zodat ze met volle rede kon worden bestudeerd.
In het volgende paragraafje zal ik u duidelijk maken hoe Galileï’s wetenschappelijke
methodes een grote invloed zouden hebben op de daaropvolgende generaties
wetenschappers.
1.2.1 Over Galileï
Galileo Galileï (1564-1642) was een Italiaans
natuurfilosoof, wiskundige en – waardoor hij zijn
plaatsje in dit dossier verdient – astronoom. Hij wordt als
één van de eerste wetenschappers beschouwd uit de
wetenschappelijke revolutie, een titel die hij zeker
verdient. De man was een fervent aanhanger van het
copernicaans heliocentrisch stelsel, waardoor hij al vroeg
in aanvaring kwam met de Kerk.
Galileï legde de eerste stappen naar de mechanica.
Hij ontdekte de parabolische baan van weggeschoten
projectielen, en door simpelweg een balletje te laten
vallen van de Toren van Pisa, slaagde hij er in de
valwet op te stellen.
-6Het was niet enkel de ontdekking van deze wet die van belang zou blijken voor de
ontwikkeling van wat later de kosmologie zou heten, maar vooral het wetenschappelijke
principe dat achter zijn ontdekking zat: observeer en trek de juiste conclusies. Galileï wist
wat hij zag en handelde ernaar.
1.2.2 Galileï bekijkt het heelal
Galileï was de eerste die de Aristotelische gedachte verwierp dat de aarde en de hemelen
aan verschillende natuurwetten onderworpen zouden zijn. Volgens Aristoteles was de
beweging van de aarde rechtlijnig, terwijl de sterren cirkelvormige bewegingen maakten.
Toen de Italiaanse wetenschapper echter in 1609 de eerste telescoop naar de hemel
richtte, ontdekte hij nieuwe onvolmaaktheden: op de maan bleken opeens bergen te staan
en de zon bevatte donkere vlekken. De perfecte witte schijf bleek dus al bij al toch niet zo
perfect. En waarom zou God donkere vlekken plaatsen op één van zijn mooiste
ontwerpen?
Straffer nog was zijn ontdekking dat rond Jupiter 4 satellieten draaiden. Dit was voor
hem het bewijs dat het wereldbeeld dat Copernicus had beschreven inderdaad klopte.
In 1632 verklaarde Galileï in zijn werk “Dialoog over de 2 belangrijkste wereldsystemen”
duidelijk dat het heelal heliocentrisch was. Dit was voor de Kerk de figuurlijke druppel.
Galileï werd tot zijn dood in 1642 onder verzekerde bewaring gesteld, maar zijn boek
bleef tot 1835 op de Index geplaatst.
Dit zorgde voor de definitieve breuk tussen Kerk en wetenschap.
1.2.3 Kepler maakt een eind aan het wereldbeeld volgens Aristoteles
De laatste aanhangers van het wereldbeeld zoals Aristoteles het had voorgedragen waren
helemaal ten einde raad met de nieuwe ontdekkingen die Kepler deed. Johannes Kepler1
kon dankzij nauwkeurige berekeningen van zijn leermeester Tycho Brahe bewijzen dat
1
Johannes Kepler (1571-1630): Duits astronoom die bekend werd door zijn uitwerking van de wetten van
planeetbewegingen in de wetten van Kepler. Hij werd in 1600 assistent van Tycho Brahe.
-7de planeten een ellipsvormige baan volgen, in tegenstelling tot de ideale cirkelbeweging
van Aristoteles. Dit wordt de eerste wet van Kepler genoemd.
De tweede wet zegt dat deze hemellichamen hun baan niet met een constante snelheid
afleggen, maar versnellen naar de zon toe en vertragen wanneer ze van de zon weggaan,
opnieuw in tegenstelling tot de ideale constante beweging van Aristoteles.
Met andere woorden, de voerstraal tussen het middelpunt van de zon en van de planeet
bestrijkt per tijdseenheid steeds een even groot oppervlak (zie figuur).
Keplers derde wet zegt dat er tussen de omlooptijd T van een planeet en de gemiddelde
afstand R tussen de zon en de planeet een speciale relatie bestaat. De omlooptijd in het
kwadraat over de gemiddelde afstand tot de derde macht is een constante.
Toch bleef er nog steeds een zeer belangrijke onbeantwoorde vraag over: als er geen
planetaire sferen zijn, wat houdt de planeten dan in hun baan?
-8-
2. Newtonner het zwaargewicht
Nu Brahe en Kepler aangetoond hadden dat er geen sferen bestonden, stonden de
natuurkundigen voor een groot raadsel. Hoe kunnen enorme massieve bollen rond elkaar
draaien, zonder dat ze worden ondersteund door enige andere massa? Niemand, ook niet
dit duo, wist hoe hij met dit probleem moest omgaan.
Dit was het moment waarop een genie zich onderscheidde van een ander hoogbegaafd
mens: de jonge Newton bracht de oplossing.
2.1 Over Newton
Sir Isaac Newton (1642-1727) was een Brits
natuurkundige, filosoof, wiskundige en alchemist. Hij
deed in de loop van zijn carrière drie fundamentele
ontdekkingen: de universele gravitatie, differentiaal- en
integraalrekening en dispersie (kleurschifting). Newton
is bovendien de grondlegger van de klassieke
mechanica.
Dankzij onder meer zijn werk de ‘Philosophiae naturalis
principia mathematica’, ook wel kortweg ‘Principia’ genoemd, wordt hij vaak als de
grootste natuurkundige uit de geschiedenis aangeduid. In het volgende paragraafje wordt
beschreven waarom de universele gravitatietheorie van groot belang is geweest voor de
kosmologie.
2.2 Newtons werk
2.2.1 Definitie mechanica
Mechanica is de leer die zich bezighoudt met de beweging van lichamen en de oorzaken
daarvan, te verdelen in statica, kinematica en dynamica. De statica behandelt de werking
-9van krachten op in evenwicht en in rust verkerende systemen, de kinematica beschrijft
bewegingen en de dynamica bestudeert bewegingen onder invloed van krachten.
2.2.2 Basiswetten van de mechanica
Op achttienjarige leeftijd dook Newton
onder voor de pest. Tijdens zijn verblijf in
Woolsthorpe deed hij één van zijn
grootste uitvindingen: de klassieke
mechanica. Newton stelde drie wetten op.
De eerste wet was een verbetering van het
traagheidsbeginsel dat al min of meer
door Galileï werd ‘ontdekt’. De derde wet
stelde dat wanneer een massa een
actiekracht uitoefent op een andere massa,
deze laatste een even grote, maar
tegengestelde kracht uitoefent op de eerste
massa.
Het is echter vooral de tweede wet die
later van belang zou blijken bij het
opstellen van een speciaal geval van zijn universele gravitatietheorie, de zwaartekracht;
de relatie tussen de kracht enerzijds en de massa en de versnelling die de massa ondergaat
anderzijds. Deze relatie (F=m.a) wordt ook wel het grondbeginsel van de dynamica
genoemd.
2.2.3 Algemene gravitatietheorie
Volgens sommige verhaaltjes zou Newton het antwoord op de tot dan toe onoplosbare
vraag (cfr. begin hoofdstuk 2) een beetje te danken hebben gehad aan een appel. Toen de
jonge Isaac onder een boom ging zitten om een verklaring te zoeken voor de wetten van
Kepler, viel er toevallig een appel op zijn hoofd. Newton veronderstelde dat er tussen alle
- 10 massa’s een wederzijdse aantrekkingskracht moest bestaan: de algemene gravitatiekracht.
De aarde trekt de appel aan, alsook de appel de aarde aantrekt. Hetzelfde geldt voor
planeten ten opzichte van de zon.
Dit bracht weliswaar een nieuw vraagstuk met zich mee. Waarom vielen de aarde en de
planeten niet op elkaar, zoals de appel die recht op de aarde viel?
Aangezien de jongeman maar net een jaartje ouder was dan ik, herinnerde hij zich nog
gemakkelijk een spelletje uit zijn echte kindertijd. Wanneer een emmer gevuld met water
boven iemands hoofd werd geslingerd, viel er geen enkel druppeltje water uit.
Hieruit concludeerde Newton dat er een andere kracht moest zijn die de planeten
voortduwde en tegelijkertijd gelijk was aan de gravitatiekracht die de zon uitoefende op
de planeten. Deze nieuwe kracht noemde hij de middelpuntvliegende, of centrifugale
kracht. Omdat de aarde een zodanige snelheid heeft dat het de zwaartekracht ten opzichte
van de zon opheft, botsen de twee niet op elkaar. Het bewegende voorwerp ontsnapt als
het ware voortdurend aan de invloed van de zwaartekracht.
Doordat de appel niet rond de aarde draaide, bleef hij niet boven Newtons hoofd zweven,
maar viel hij er recht op. Dit is een gevolg van een speciaal geval van de algemene
gravitatietheorie, de zwaartekracht.
Met de ontdekking van de algemene gravitatiekracht ging volgens sommige hedendaagse
wetenschapppers meteen de geboorte van de moderne kosmologie gepaard. Anderen
vinden het nog te vroeg om Newton de grondlegger hiervan te noemen.
2.3 Post-Newton
2.3.1 Het heelal oneindig groot?
Newton redeneerde verder dat het heelal oneindig groot moest zijn, omdat een centraal
punt anders alle delen van het heelal naar zich toe zou trekken, wat niet in
overeenstemming was met het waargenomen heelal.
- 11 De uitvinder van de algemene gravitatietheorie was ervan overtuigd dat het heelal
bepaald werd door wiskundige wetten, net als een horloge. Hoewel God geen reden meer
had zich met menselijke zaken te bemoeien, durfde Newton niet te stellen dat er nooit een
invloed van bovenaf was geweest.
‘Na de wereld in gang te hebben gezet, beziet Hij van verre de evolutie.’
2.3.2 Oorsprong van de mens
Het is pas de Fransman Simon Laplace1 die in de 18e eeuw als eerste durfde te beweren
dat God gemist kon worden.
De mens werd nietig in een oneindig heelal en totaal verwijderd van God, maar toch
troostte hij zich in de 19e eeuw met de gedachte dat hij nog steeds afstamde van Adam en
Eva. Hij was nog steeds speciaal door God geschapen om over de aarde te heersen.
Ook deze laatste restjes hoop werden door Charles Darwin2 van de baan geveegd.
In zijn boek “The Origin of Species” beweerde hij dat de menselijke afkomst veel minder
nobel was dan wat men tot dan toe geloofde.
De mens zou afstammen van aapachtigen, reptielen en vissen. De oorsprong van zijn
ontstaan moesten we zoeken bij primitieve eencelligen. Deze (r)evolutie had zeer veel
tijd nodig. De evolutie van eencellige tot homo sapiens zou miljarden jaren geduurd
hebben. Men kan dit op z’n minst een klein verschil noemen met de 6000 jaar die
Newton en Kepler de aarde gaven.
1
Pierre-Simon Laplace (1749-1827): Frans wiskundige. Hij bewees de stabiliteit van het zonnestelsel: de
diverse planeetbanen houden elkaar en zichzelf in stand. Ook was hij auteur van de 'neveltheorie', die stelt
dat het zonnestelsel ontstaan is uit een platte, roterende gaswolk.
2
Charles Robert Darwin (1809-1882): Brits bioloog. Hij was de grondlegger van de theorie van evolutie
gebaseerd op natuurlijke selectie, welke de basis vormt van de huidige evolutietheorie.
- 12 -
3. Einstein brain
Einstein was de directe opvolger van andere ‘groten uit de geschiedenis’ zoals Galileï en
Newton, omdat ook hij voor een wetenschappelijke golf van vernieuwing (lees
verbetering) zorgde.
Galileï was de eerste die een verklaring gaf voor de zwaartekracht. Deze verklaring
hoefde in de eeuwen daarna enkel aangepast, hergeformuleerd en bijgeschaafd te worden.
Newton vernieuwde Galileï’s inzichten en stak ze in een meer wetenschappelijk en
wiskundig correct kleedje. Toen men rond de overgang van de negentiende naar de
twintigste eeuw een aantal gaten had gevonden in het Newtoniaanse wereldbeeld, was
een nieuwe visie noodzakelijk. Door nieuwe technologische uitvindingen had men
vaststellingen gedaan die niet door Newtons formuleringen konden verklaard worden, of
die een speling vertoonden tegenover de verwachte waarnemingen. Nieuwe feiten
kwamen aan het licht die niet in het oude schema pasten. Einstein bracht met de geboorte
van de algemene relativiteitstheorie een geheel nieuw wereldbeeld aan het oppervlak.
3.1 Over Einstein
De joods-Duits-Zwitserse Amerikaan Albert Einstein (18791955) werd niet bepaald bekend om zijn mooie ogen. De
speciale en later ook de algemene relativiteitstheorie waren
op alle vlakken baanbrekend, maar ook zijn wiskundige
formule E=mc² is nu nog steeds de enige populaire
wiskundige uitdrukking.
Deze geniale uitvindingen waren niet de enige die Einstein had bedacht door zijn
wiskundig talent als theoretisch natuurkundige te benutten. In 1921 ontving de man de
Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn werk aan het foto-elektrisch effect. Hij deed
ook zijn bijdrage tot de statistische mechanica, maar dit dossier heeft vooral nood aan
zijn kosmologische interesses. Hij zou voor eens en altijd de kosmologische modellen
veranderen. Voor eens en altijd... ik durf de uitdrukking amper nog te gebruiken.
- 13 3.2 Einsteins werk
‘God dobbelt niet met het heelal.’
3.2.1 Annalen der Physik
Toen Einstein in 1905 drie artikels in het Duits-wetenschappelijk tijdschrift Annalen der
Physik publiceerde, bracht dat niet meteen een volksrevolutie teweeg. Pas jaren na de
publicatie begonnen de meeste natuurkundigen het belang, alsook de waarheid ervan in te
zien. Ik kan hen echter geen ongelijk geven voor hun ongeloof; het heeft ook zeer lang
geduurd vooraleer ik het derde artikel (hetgeen ik bestudeerd heb) goed en wel onder de
knie had.
3.2.2 Drie artikels
Het eerste artikel ging over de eerder vermelde statistische mechanica. Het tweede, dat
hij zelf het belangrijkste vond en waar hij ook de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor
zou krijgen, ging over het foto-elektrische effect.
In het derde artikel stond echter zijn meest revolutionaire idee beschreven. De speciale
relativiteitstheorie, zoals wij die nu noemen, zou het gehele wereldbeeld totaal
veranderen. Einstein nam het in dit artikel onder meer op tegen het eeuwenoude idee dat
de tijd zou verstrijken als het stromen van een rivier – één van de mooiste
wetenschappelijke metaforen vind ik zelf. Bovendien geloofde men nog steeds in een
allesdoordringende ether die de ruimte opvulde. Ook hiervan probeerde Einstein afstand
te nemen.
3.2.3 Definitie tijd en ruimte
De eerste stap die Einstein ondernam, was tijd en ruimte opnieuw definiëren. Het moest
een werkbaar instrument worden en niet een onderwerp voor dichters. Tijd en ruimte
- 14 moesten door gewone mensen en met gewone instrumenten gemeten kunnen worden. Hij
wou met andere woorden begrippen als nul en andere overabstracte zaken uitsluiten.
3.2.4 Speciale relativiteitstheorie
Hetgeen men nu de speciale relativiteitstheorie noemt, werd in het derde artikel specifiek
beschreven door twee axioma’s.
(a) Eerste axioma
Het eerste axioma stelde dat licht altijd met een constante snelheid voortbeweegt,
ongeacht de beweging van de lichtbron of de onderzoeker. Men wist al vòòr Einstein dat
het licht zich met een snelheid van om en bij de 300 000 kilometer per seconde
voortbewoog (299 792,458 om iets exacter te zijn), want alle experimenten hadden dat al
uitgewezen. Helaas hadden de meeste wetenschappers uit die periode niet de
ingesteldheid die Galileï en ook Einstein wél hadden: trek de juiste conclusies uit wat je
ziet.
De snelheid van het licht was altijd dezelfde, waar de lichtbron zich ook bevond en waar
het licht ook vandaan kwam. In de praktijk betekende dit dat de snelheid van het licht in
de lege ruimte constant blijft, zelfs als de lichtbron zich met een grote snelheid verplaatst
zoals bijvoorbeeld een ster.
Deze conclusie sloeg (en slaat nog steeds) regelrecht in tegen het gezond verstand. Als
men een kogel uit een rijdende trein afvuurt, dan heeft die kogel een grotere snelheid dan
wanneer men een kogel vanuit stilstand zou afvuren. Voor licht gaat dit volgens Einstein
niet op.
Dit betekende dat het licht, afkomstig van een ster die in onze richting beweegt, een even
grote snelheid heeft als dat van een ster die zich van ons verwijdert.
- 15 Een kogel, de aarde, de zon of enig ander hemellichaam hebben altijd een snelheid die
relatief is ten opzichte van een ander voorwerp. De snelheid van het licht is nooit relatief
ten opzichte van iets anders. Het is een absolute constante, die altijd dezelfde blijft.
(b) Tweede axioma
In het tweede axioma verklaarde Einstein dat een onderzoeker enkel relatieve
bewegingen kan waarnemen. Om deze stelling te verklaren, kan ik best beroep doen op
een situatie die zowat iedereen al heeft meegemaakt.
Stel dat je vanuit een stilstaande trein zit te kijken naar een andere stilstaande trein op het
spoor er juist naast. Op een gegeven moment denk je dat je trein eindelijk vertrokken is
(jouw vriendin/vrouw heeft je al meerdere malen – met aandrang – gevraagd waar je in
hemelsnaam rondhangt), maar uiteindelijk blijkt dat het de andere trein is die in beweging
is geschoten. Jouw geliefde zal dus nog een tijdje moeten wachten.
Als je nu in de trein zit die vertrekt, zou je echter ook kunnen zeggen dat de andere trein,
samen met de rest van de wereld, in de andere richting beweegt, terwijl jij nog steeds op
dezelfde plaats staat.
Men moet alles vanuit een relatief standpunt bekijken; alles wordt anders waargenomen
wanneer men zich op een verschillende locatie bevindt. Alles is dus relatief... behalve de
snelheid van het licht natuurlijk.
(c) Conclusie
Het lijkt dat deze twee axioma’s regelrecht tegen elkaar in botsen, maar in de wereld van
de speciale relativiteit is dit allerminst het geval. Einstein heeft een wereld gecreëerd
waarin wordt afgerekend met Newtons grondstelling dat tijd absoluut is en dus als een
rivier steeds blijft doorstromen.
Gelukkig maakte Einstein – voor de mensen voor wie dit niet als abc klinkt – volgende
gedachtegang ter verduidelijking van zijn axioma’s.
- 16 Wanneer iemand op een perron tegelijkertijd twee bliksemschichten de rails ziet raken,
één ver naar het oosten en de andere ver naar het westen, dan zou hij beweren dat ze op
hetzelfde moment plaatsvonden. Voor iemand die zich echter in een trein bevindt die met
zeer grote snelheid van oost naar west langs het perron raast (ook de vrouw van de
machinist heeft al meerdere malen gebeld), zou het lijken alsof de bliksemschicht in het
westen eerst insloeg.
Volgens Einstein komt dit doordat de rijdende trein zich naar het westen verplaatst.
Het licht afkomstig van de bliksemschicht uit het westen, bereikt de onderzoeker op de
rijdende trein net iets sneller dan het licht van de flits uit het oosten, juist omdat de
snelheid van het licht constant is. De onderzoeker op het perron zag de twee flitsen
tegelijkertijd, terwijl de onderzoeker op de trein eerst de ene en dan pas de andere flits
zou waarnemen.
Wanneer nu bijvoorbeeld de bliksem uit het oosten iets voor die uit het westen zou
inslaan, zou het kunnen dat de onderzoeker op de trein de twee schichten op hetzelfde
moment ziet inslaan.
Wie van de twee heeft dan gelijk? Eigenlijk hebben ze het beiden verkeerd voor, omdat
het verschil in afstand tussen de twee bliksemflitsen zo erg kan verschillen, dat het juiste
moment van de inslag niet gekend is.
De belangrijkste conclusie is echter dat de twee onderzoekers hetzelfde fenomeen anders
zouden beschrijven.
3.2.5 Verband tijd en ruimte
Einstein toonde analoog aan dat ruimte en tijd danig met elkaar verbonden zijn – als de
begrippen kosmologie en kosmogonie, zeg maar – en dat de waarnemingen dan ook
afhankelijk zijn van de plaats en de beweging van de waarnemers.
Zo zouden de raampjes van de voorbijrazende trein er vanop het perron steeds korter
uitzien, naarmate de trein sneller zou rijden.
Voor de waarnemer op de trein zouden de ramen er vanzelfsprekend wel altijd hetzelfde
blijven uitzien.
- 17 Uit deze theorie kunnen echter nog een aantal vreemdere conclusies getrokken worden.
Als de onderzoeker op het perron op het horloge van de onderzoeker in de rijdende trein
zou kunnen kijken, zouden de wijzers van dat horloge trager lijken te
lopen. Dit is ook al het geval bij treinen in het alledaagse leven, alleen zijn
de verschillen te klein om echt gemeten te kunnen worden. Wanneer de
trein echter de snelheid van het licht zou benaderen, zou het horloge al een
heel eindje achter lijken te lopen. Zo toonde Einstein aan dat de wijzers
van een klok aan boord van een ruimteschip dat zich met een snelheid van
256 000 kilometer per seconde van de aarde verwijdert, maar half zo snel
rond lijken te gaan als normaal. De ruimtevaarder aan boord van dat
ruimteschip zou echter van mening zijn dat niet zijn klok trager lijkt te
gaan, maar dat dit wel het geval zou zijn op de aarde.
Door te stellen dat tijd verschillend ervaren wordt door voorwerpen of
mensen die zich relatief ten opzichte van elkaar bewegen, maakte Einstein
een einde aan de absolute tijd die tot dan toe het wereldbeeld had
gedomineerd. De tijd van verschillende mensen komt overeen als zij ten
opzichte van elkaar in rusttoestand verkeren, maar zodra zij zich
voortbewegen, verschillen hun tijden onderling. Elke mens heeft zijn
persoonlijke tijd, zeg maar.
Later kon Einstein ook aantonen dat een ruimtevaarder, aan boord van het ruimteschip
dat de snelheid van het licht benadert, trager oud wordt dan zijn tweelingbroer die achter
gebleven was op aarde (zie tekening rechts).
Deze stelling kon later aangetoond worden door de proef die geïllustreerd wordt op de
volgende pagina.
- 18 Eén precisieklok werd op een vliegtuig gezet dat gedurende een tijdje
naar het oosten bleef vliegen. De andere werd dan weer op een
vliegtuig gezet dat westwaarts vloog. De klok naar het oosten kreeg de
snelheid van de roterende aarde mee plus de snelheid van het vliegtuig
zelf, terwijl de klok naar het westen de omwentelingssnelheid min de
snelheid van het vliegtuig meekreeg. Het snelheidsverschil tussen beide
klokken bedroeg dus twee keer de snelheid van het vliegtuig. Na een
tijdje landden beide vliegtuigen en werd er een – weliswaar gering –
verschil qua tijd opgemeten.
3.2.6 Verband massa en energie
In 1907 publiceerde Einstein een simpel formuletje dat wederom de wereld zou
veranderen. Na een gloednieuwe theorie te hebben gelanceerd over ruimte en tijd, deed
hij hetzelfde met de verhouding tussen massa en energie. De wetenschappers vòòr
Einstein beschouwden massa en energie als twee aparte grootheden. Ons gezond verstand
zegt ons dat een kogel en de energie die nodig is om de kogel af te vuren niet dezelfde
zijn. Einstein beweerde echter dat in de relativistische wereld dit onderscheid niet correct
is.
Door enkele ideeën uit zijn essay over het foto-elektrisch effect te combineren met
wiskunde uit de speciale relativiteitstheorie, slaagde Einstein erin te bewijzen dat de
massa van een voorwerp dat energie uitstraalt in de vorm van licht afneemt met de
hoeveelheid energie gedeeld door de snelheid van het licht in het kwadraat.
Om van m=E/c² naar de alombekende relatie E=mc² over te schakelen, is niet erg veel
moeite of wiskundige kennis meer nodig.
Einstein slaagde er niet enkel in om aan te tonen dat massa en energie op een factor na
gelijk zijn aan elkaar, maar ook dat ze onderling uitwisselbaar zijn. Dankzij deze
revolutionaire ontdekking kan men aan een klein stukje materie een enorme hoeveelheid
energie geven. Een atoomdeeltje kan dus meer (explosieve) energie teweeg brengen dan
tonnen dynamiet. Zo is bijvoorbeeld het zonlicht dat wij waarnemen een gevolg van
omzetting van zonnemassa naar warmte en lichtenergie.
- 19 Tegenwoordig kan men met deeltjesversnellers1 aantonen dat massa en energie inderdaad
onderling verwisselbaar zijn. De massa van protonen die door een buis van enkele
kilometers lang worden geschoten, vergroot duizenden keren naarmate de snelheid meer
dat van het licht benadert.
3.2.7 De algemene relativiteitstheorie
(a) Equivalentieprincipe
In zijn speciale relativiteitstheorie en stellingen had Einstein zich enkel beziggehouden
met nieuwe wetten voor het meten van tijd en ruimte tussen waarnemers die zich met
dezelfde snelheid voortbewegen. Ze bevinden zich dus relatief gezien in een rusttoestand.
Einstein besefte echter dat planeten vertragen en versnellen en dat ze ook een gekromd
traject afleggen. Hij moest dus zijn relativiteitstheorie uitbreiden naar voorwerpen die
versnellen. Eén van de grootste problemen bij versnellende voorwerpen heeft betrekking
tot de zwaartekracht. Een vallend voorwerp krijgt namelijk een steeds grotere snelheid
naarmate het de aarde nadert.
1
Deeltjesversnellers zijn gigantische atoomsplijters die in de hedendaagse natuurkunde gebruikt worden
om de kern van het atoom, alsook andere kleine atoomdeeltjes te verkennen.
- 20 Einstein breidde eerst de zwaartekracht uit naar een algemeen voorkomend fenomeen.
Galileï beschouwde de zwaartekracht als een verschijnsel dat enkel op de aarde
voorkwam, terwijl Newton gewoonweg niet aan het feit dacht dat het zich buiten ons
zonnestelsel ook zou kunnen voordoen.
Wederom deed hij beroep op een praktisch voorval om deze stelling te bewijzen.
Stel dat een onderzoekster (het moeten niet steeds mannen zijn) zich in een lift bevindt in
een ruimteschip, ver buiten het bereik van de zwaartekracht van de aarde en dat die lift
zich met een versnelling van pakweg tien m/s² naar boven beweegt. Dat is dezelfde
versnelling als wanneer de onderzoekster vanuit een toren naar beneden zou springen en
dus naar de aarde toe wordt getrokken.
In de lift, waar de onderzoekster zich niet in de invloedssfeer bevindt van de aardse
zwaartekracht, worden haar voeten toch tegen de vloer gedrukt, omdat haar lichaam
weerstand biedt tegen de opwaartse versnelling van de lift. Als de onderzoekster haar
haarspeld zou loslaten, zou die op de vloer vallen, net als op de aarde. De vrouw zou zelf
niet kunnen uitmaken of de neerwaartse druk het gevolg is van de zwaartekracht, of van
een opwaartse versnelling. Er bestaat volgens Einstein dus geen verschil tussen een
versnelling die door de zwaartekracht veroorzaakt wordt, of een versnelling die een
andere oorzaak heeft.
Dit werd het equivalentieprincipe genoemd: een gravitatieveld heeft een relatief bestaan.
Stel nu even dat het niet de onderzoekster is die vanuit de toren zou springen, maar wel
Galileï. Hij had waarschijnlijk geen haarspeld op dat moment, dus stel dat hij op zijn weg
naar beneden een knikker zou laten vallen. In dat geval zouden zowel hij als de knikker
zich in een vrije val bevinden en zouden ze zich in een relatieve rusttoestand bevinden
ten opzichte van elkaar. Aangezien die knikker dan in Galileï’s ogen zou stilstaan, en als
we even het effect van de zwaartekracht achterwege laten, zou Galileï zelf ook eventjes
kunnen denken dat hij stilstaat. De Newtoniaanse definitie van de zwaartekracht komt
hierbij dus eventjes te kort.
- 21 (b) Zwaarte...euh?
Nu stelde Einstein zich de vraag wat de zwaartekracht juist was. Dankzij sommige ideeën
uit zijn speciale relativiteitstheorie die hij specifiek toepaste op dit probleem, kwam hij
tot de conclusie dat de zwaartekracht geen kracht was in de strikte zin van het woord.
Om het probleem beter te kunnen behandelen, besefte hij dat hij een nieuw soort
meetkunde nodig had; de Euclidische meetkunde kwam te kort. Dankzij de gekromde
ruimtemeetkunde van Bernhard Riemann1 kreeg Einstein een beter werkbaar instrument
in handen.
Het was niet iedereen meteen duidelijk wat een versnellende lift en de gekromde ruimte
met de zwaartekracht te maken hadden. Opnieuw verduidelijkte Einstein zich met een
voorbeeldje.
Stel dat je een klein gaatje maakt in de lift en dat je de lift de lichtsnelheid laat benaderen.
Dan zal het voor de onderzoekster lijken alsof een lichtstraal door dat gaatje afbuigt en
uiteindelijk lager de muur raakt dan hij op aarde zou doen. Het licht wordt dus gekromd.
Dit was het logische gevolg van Einsteins E=mc². Licht bezit energie en heeft vervolgens
ook een massa. Alles dat een massa heeft wordt aangetrokken door de zwaartekracht en
dus wordt ook het licht aangetrokken door de zwaartekracht. Dat was volgens Einstein
ook de reden waarom lichtbundels die zware massa’s benaderen, zoals planeten,
afbuigen.
Einstein vatte deze ideeën samen in tien veldvergelijkingen, die hij in 1916 publiceerde
als de algemene relativiteitstheorie.
De verklaring voor wat tot dan de zwaartekracht had geheten, lag volgens het 20e eeuwse
genie bij de gekromde ruimtemeetkunde van Riemann, die Einstein een ruimte-tijd
continuüm noemde. Het valt te vergelijken met een trampoline waarin je een kanonskogel
legt. De kanonskogel komt overeen met een zware massa (bijvoorbeeld de zon). Wanneer
1
Bernhard Riemann (1826-1866) : Duits wiskundige die vooral beroemd werd door zijn nieuwe
integratiemethode. Ook zijn gekromde meetkunde was van groot belang.
- 22 je nu een tennisbal in de trampoline legt, die overeen komt met een lichtere massa
(bijvoorbeeld de aarde), rolt deze er automatisch naartoe. De kogel maakt een grote deuk
in het oppervlak van de trampoline, waardoor het kleinere massa’s, die een kleinere
plooiing veroorzaken, naar zich toe forceert. Hetzelfde gebeurt met de zon en de aarde,
die respectievelijk een grote en een kleine deuk in de gekromde ruimte veroorzaken en zo
ook lichamen naar zich toe trekken afhankelijk van de massa.
3.2.8 Bewijzen algemene relativiteit
De stap van het Newtoniaanse wereldbeeld naar dit van de algemene relativiteit kan je op
z’n minst een serieuze ommekeer noemen. Het spreekt dan ook voor zich dat vele
wetenschappers niet in de nieuwe theorieën van Einstein geloofden. Het was nu weer aan
Einstein om zijn algemene relativiteitstheorie te bewijzen.
Een eerste bewijs had hij te danken aan de afwijkende baan van Mercurius om de zon. De
baan van de planeet die het dichtst bij de zon ligt, vertoonde namelijk een speling ten
opzichte van de verwachte ellipsvormige beweging die hij zou moeten maken. Het
verschil tussen de voorspelde baan en de gemeten baan bedroeg drieënveertig
boogseconden.
Einstein paste de baanvergelijking van Mercurius toe op zijn algemene
relativiteitstheorie... en bekwam een verschil van exact drieënveertig boogseconden ten
opzichte van de oude berekende baan.
Nog steeds waren er veel ongelovige gezichten in het wetenschappelijke milieu. Ze
dachten waarschijnlijk dat dit een toevalstreffer was.
Volgens Einsteins berekeningen zou het licht van een verre ster met exact 1,75
boogseconden af moeten buigen wanneer het langs het gravitatieveld van de zon passeert
(cfr. lichtbundel in de lift). Dit kon enkel waargenomen worden bij een totale
zonsverduistering.
Lang moest Einstein gelukkig niet wachten om een tweede bewijs te kunnen leveren.
- 23 Ongeveer drie jaar na de publicatie van zijn algemene relativiteit, op 29 mei 1919, zou er
een zonsverduistering plaatsvinden op het zuidelijk halfrond.
Een Brits natuurkundige die speciaal naar Afrika was getrokken, meldde achteraf een
afwijking die exact klopte met Einsteins berekeningen. Einstein zelf zou nooit aan zijn
theorie getwijfeld hebben.
Met Albert Einsteins relativiteitstheorie in de hoofdrol, bereikten de kosmogonie en de
kosmologie zonder enige twijfel een eerste hoogtepunt. Uiteraard – en gelukkig maar –
bleef het hier niet bij. Steeds meer theoretische natuurkundigen geraakten geïnteresseerd
in het onderzoek naar het heelal.
Ook de technologische ontwikkeling van wetenschappelijke meetinstrumenten bevond
zich tijdens en na Einsteins theorie in een stroomversnelling. Wanneer theorie en
praktische waarnemingen samenkomen, bereikt de wetenschap het hoogst mogelijke
niveau... een niveau dat resulteert in het begin van de moderne kosmologie.
- 24 3.3 Basis van de moderne kosmologie
Na het succes dat Einstein had verkregen vanwege zijn algemene relativiteitstheorie,
waagde het genie zich voor het eerst aan dé grote vragen van de moderne kosmologie.
Hoe is het heelal ontstaan en hoe ziet het er nu uit?
Meneer Einstein, een titel die hij op z’n minst verdient, was er van overtuigd dat zijn
vergelijkingen het verloop van het heelal, van het ontstaan tot aan de ondergang, zouden
kunnen verklaren.
3.3.1 Statisch heelal
Al vroeg werd duidelijk hoe nauwkeurig Einsteins veldvergelijkingen het gedrag van
grote brokken materie zouden kunnen beschrijven. De grote Albert wist echter zelf niet
meteen raad met de oplossing van deze vergelijkingen. De meest logische oplossingen
van deze veldvergelijkingen wezen namelijk op een dynamisch heelal – een heelal dat
uitdijt of inkrimpt.
Een praktisch voorbeeld van Einsteins
relativiteitstheorie: de afwijking van het
licht door de zon.
Einstein was er echter van overtuigd dat we ons in een statisch heelal moesten bevinden.
Hij vond het idee van een niet-vast heelal te slordig.
Omdat de “gemakkelijkste” oplossingen van zijn vergelijkingen zijn persoonlijke kijk op
het heelal niet meteen staafden, forceerde hij hier maar een oplossing voor. Door het
invoeren van de zogenaamde θ-termen (lees “delta-termen”) kwam hij wel tot zijn
geliefkoosd statisch heelal. Op de vraag of het wel zomaar kon dat deze kosmologische
constante zonder enig gevolg konden worden ingevoerd, antwoordde Einstein vaagweg
dat dit maar een kleine wijziging was.
De algemene relativiteitstheorie was echter al zo volmaakt, dat ze helemaal geen nood
had aan deze termen. Ook Einstein was zich hiervan maar al te zeer bewust.
- 25 ‘Deze θ-term heeft geen ander doel dan een quasi-statische materieverdeling mogelijk te
maken, zoals het feit van de lage snelheden van de sterren dat vereist.’
Later zou Einstein toegeven dat de kosmologische constante zijn grootste fout was
geweest als natuurkundig theoreticus.
3.3.2 Dynamisch heelal
De vergelijkingen van de Nederlandse sterrenkundige Willem de Sitter1 hadden al
gewezen op de noodzaak van een dynamisch heelal. De Sitter wees zelfs op het impliciet
aanwezig zijn van een uitdijend heelal in de wereld van de algemene relativiteit zoals
Einstein die had voorgedragen.
Pas wanneer de Russische wiskundige Alexander Friedmann in 1922 Einsteins
vergelijkingen oploste, zowel met als zonder kosmologische constante, kozen de meeste
kosmologen voor het uitdijende heelal. De kosmologische constante werd door de
meesten die er iets van snapten als overbodig en zelfs fout beschouwd.
Friedmanns model stelde dat het heelal zich als een gestippelde ballon gedraagt die
opgeblazen wordt. Hoe meer de ballon opgeblazen wordt – hoe meer het heelal uitdijt –
hoe verder de stippen zich van elkaar bevinden. Naargelang de ballon al opgeblazen is,
zullen de stippen zich des te meer uit elkaar bewegen wanneer er meer lucht wordt aan
toegevoegd. Vervang nu ballon door heelal en stippen door melkwegstelsels, en je hebt
een correcte beschrijving van Friedmanns voorstelling van het heelal.
3.3.3 Komt er een eind aan het uitdijende heelal?
Friedmann kwam bij zijn uitwerking van Einsteins vergelijkingen zonder constante tot
twee mogelijke oplossingen.
1
Willem de Sitter (1872-1934): Nederlands wis-en sterrenkudige die vooral bekend werd door zijn vast
geloof in een uitdijend heelal.
- 26 Het eerste model, dat stelde dat het heelal sneller uitdijt dan een bepaalde kritische
waarde, zegt dat dit heelal nooit zal stoppen met uitdijen. In feite komt het erop neer dat
de massadichtheid van de materie in het heelal lager is dan een bepaald kritisch punt.
Het tweede model, waaraan de meeste moderne kosmologen de voorrang geven, stelde
dat de massadichtheid van het heelal hoger is dan dit kritieke punt. Hierdoor zal het
uitdijen van het heelal ooit tot een einde komen (“The Big Crunch”) en zal het vanaf dan
gaan inkrimpen.
Dit model brengt evenwel met zich mee dat het heelal niet begrensd is, maar tegelijkertijd
ook weer niet oneindig groot; als je altijd recht op recht zou blijven gaan, kom je
uiteindelijk weer op je oorspronkelijke beginpositie terecht.
3.3.4 Telescopen
In het begin van de vorige eeuw slaagden
Amerikaanse wetenschappers er in om goed
werkbare telescopen te ontwerpen. De voormalige
hoogspringer en kampioen amateurboksen Edwin
Hubble1 (zie figuur links) kon in 1923 aantonen
dat het heelal verder reikte dan ons
melkwegstelsel, een bewijs van Friedmanns
theorie.
In het begin van de 20e eeuw was men namelijk
gekomen tot een wereldbeeld waarin onze
melkweg in het centrum van het universum ligt. Ook deze kijk op het heelal werd van de
baan geveegd.
Dankzij de verbeterde fotografische technieken kon Hubble op papier aantonen dat de
Andromedanevel, het dichtstbijzijnde melkwegstelsel, ongeveer dezelfde grootte had als
de Melkweg (ons melkwegstelsel).
1
Edwin P. Hubble (1889-1953): Amerikaans astronoom die bekend werd door wat nu nog steeds ‘de Wet
van Hubble’ heet. Er is onder andere een satelliet naar hem genoemd.
- 27 In de jaren die daarop volgden, ontdekte Hubble dat verre melkwegstelsels gelijkmatig
verdeeld zijn over de gehele ruimte. Bovendien kon hij aantonen dat ze allemaal uit
elkaar bewogen, net als de stippen op de ballon.
3.3.5 Wet van Hubble
Sterrenstelsels bewegen zich van elkaar af met een snelheid die recht evenredig is met
hun afstand tot de melkweg. Deze stelling, die gekend staat als de Wet van Hubble,
vervolledigde de kijk op het heelal die Friedmann had bekomen.
3.3.6 Kosmologisch principe
Friedmanns model van het tijdelijk uitdijend heelal vormt samen met de Wet van Hubble
wat nu het kosmologische principe wordt genoemd.
Het heelal ziet er dus ruwweg overal hetzelfde uit, vanwaar je het ook bekijkt.
3.3.7 Volledig beeld heelal
Voor het eerst slaagde men er in om een volledig beeld van het heelal te schetsen.
De ballon bevat dus niet enkel willekeurige stippen, maar deze stippen bevonden zich
bovendien vòòr het opblazen allemaal even ver van elkaar.
Tegenwoordig zijn niet alle kosmologen nog overtuigd van de juistheid van dit
wereldbeeld.
Zoals eerder vermeld, vervangen nieuwe theorieën de oude wanneer een volgende
generatie wetenschappers nieuwe onvolmaaktheden ontdekt.
Newtons vernieuwende inzichten waren het antwoord op de vragen die Galileï’s theorie
met zich mee brachten.
Door de komst van nieuwe meetinstrumenten bleken er heel wat fouten in het
Newtoniaanse wereldbeeld te zitten; Einstein was hierop het antwoord.
- 28 Einsteins algemene relativiteitstheorie, aangevuld met Friedmanns modeloplossing van
Einsteins vergelijkingen en met de wet die Hubble in 1929 openbaarde, zorgden voor een
eerste volledige kijk op het heelal.
De vraag is nu of dit theoretisch beeld nog steeds voldoet aan de hedendaagse
vaststellingen. Klopt Einsteins werk nog steeds voor de volle honderd procent, of moet er
rekening worden gehouden met nieuwe vondsten?
Zou het wel eens kunnen dat het heelal helemaal niet isotroop – in alle richtingen gelijk –
is, maar dat we ons in een tak van het heelal bevinden?
De hedendaagse kosmologen hebben overduidelijk met nieuwe problemen te kampen.
Een post-Einsteins tijdperk is op komst, met in de hoofdrol Stephen Hawking en Roger
Penrose. De hedendaagse theorieën sluipen dichterbij...
- 29 -
4. Moderne kosmologie
‘Niet alleen dobbelt God, maar ook gooit hij de dobbelstenen soms waar men ze niet kan
terugvinden.’
4.1 Grand Unifying Theory 1
‘Een wiskundige constructie van een allesomvattende theorie zou de constructie van elk
stukje materie in het heelal kunnen verklaren, evenals alle krachten die op deze materie
inwerken. Het is alsof men één enkel recept probeert te verzinnen dat zowel soep oplevert
als cement en alles wat zich daartussenin bevindt, dit alles wiskundig uitgedrukt.’ 2
4.1.1 Persoonlijke visie moderne kosmologie
Al vijftien jaar lang word ik opgevoed in een katholieke school. Leerkrachten hebben me
gedurende deze vijftien jaar leren lezen, schrijven (al heb ik deze twee dingen
voornamelijk te danken aan mijn oudere broer), rekenen, badmintonnen en ‘het onze
vader’ van ‘onze vader’ tot ‘amen’ uit het hoofd opzeggen.
De eerste jaren die ik doorbracht op de Sint-Amandus Basisschool in de fantastische
wereldstad Malderen, werd mij een nauw en te menselijk beeld (letterlijk dan)
opgedragen van God. God was een grote meneer met een grijze baard die de mensen na
hun dood in twee groepen opsplitste in de goeden en de slechten, afhankelijk van hun
gedrag hier op aarde. Man, wat zaten die mensen die mij dat hebben aangeleerd er naast!
Gelukkig evolueerde mijn kijk op en mijn definitie van God, net als de menselijke kijk op
het wereldbeeld, naar één die voor mij persoonlijk bevredigend was. Rond het feest voor
mijn twaalfjarig bestaan hier op aarde, was ik al zover geëvolueerd dat ik God niet meer
nodig had. Ik had gelezen over Darwin, documentaires bekeken over ‘een oerknal’ en
1
Grand Unifying Theorie = Geünificeerde Veldtheorie. Verder in het document wordt GUT gebruikt.
2
J. BOSLOUGH, Stephen Hawkings heelal, blz.57.
- 30 gehoord van het bestaan van toevallige gebeurtenissen. Ontkenning... de eerste fase van
het menselijke verwerkingsproces?
Gelukkig evolueerde mijn kijk op God wederom naar een verder stadium. Raar maar
waar hebben de lessen godsdienst in het zesde jaar humaniora er mij toe aangezet,
verplicht eigenlijk, verder na te denken over wie of wat God juist voor mij betekent.
Ik kwam tot de conclusie dat God voor mij is wat de fysica nog niet ontdekt heeft.
God is het ene formuletje dat alles beheerst en alles omvat, maar is ook meteen degene
die dat formuletje heeft neergeschreven.
Het doel van zowat elke moderne kosmoloog – het levenswerk zeg maar – is die ene
wisselwerking die aan de oorsprong ligt van ons heelal te kunnen omschrijven aan de
hand van één formuletje. De moderne kosmologie is voor mij dus de zoektocht naar God.
Vandaar dat ik het moeilijk had om een geschikte titel te vinden voor dit document.
Vandaar dat ik per se wou dat de evolutie van het menselijk wereldbeeld hierbij ook aan
te pas kwam. Winners never quit, quitters never win, weet u nog?
4.1.2 Persoonlijke visie GUT
Relativiteitstheorie lezen kan ernstige gevolgen
hebben.
(eigen foto)
Zelf heb ik een rotsvast geloof in het
bestaan van deze allesbeschrijvende
theorie. De parallelle eigenschappen die
in de fysica voorkomen, moeten volgens
mij wel leiden tot een dergelijke
formule. Neem bijvoorbeeld ‘de gemakzucht’ van voorwerpen, zoals ik dat graag noem.
Elk voorwerp wil in de toestand blijven waarin het zich bevindt. Zonder externe of
interne kracht zal een voorwerp steeds in rust zijn, ofwel een eenparig rechtlijnige
beweging beschrijven, maar het zal nièt versnellen.
- 31 Dit is ook het geval bij magnetisme; een metalen voorwerp zal proberen een
fluxverandering tegen te gaan. Een metalen schijfje dat aan een touw is vastgemaakt en
door een magnetisch veld schommelt, zal proberen de stijging van zijn flux tegen te gaan
en zal afremmen. Wanneer het echter gewoon is geraakt aan de hogere flux, zal het
proberen die hoge fluxwaarde aan te houden. Bijgevolg zal de snelheid van het zwieren
verminderen, hoewel het voorwerp zal proberen te voldoen aan zijn eenparig rechtlijnige
beweging (of cirkelvormige beweging door de aanhechting van het touw).
4.1.3 Aanloop naar GUT
Het volledige heelal is onderworpen aan drie krachten, wanneer men de zwaartekracht als
gevolg van de gekromde meetkundige vorm van het heelal en dus als onechte kracht
beschouwt. De sterke kernkracht, de zwakke kernkracht en het elektromagnetisme
hebben de eerste seconden na de oerknal (zie verder) de bouw van het heelal bepaald. Het
zijn drie krachten die op subatomair niveau werken.
De sterke kernkracht houdt de kern van een atoom bij elkaar en is miljarden keren
krachtiger dan de zwaartekracht. De elektromagnetische kracht zorgt ervoor dat de
elektronen op hun plaats rond de kern blijven, waardoor het dus lijkt alsof materie een
vast iets is. De zwakke kernkracht is dan weer de oorzaak van het radioactieve verval in
sommige atomen, zoals uranium.
Deze drie krachten plus de zwaartekracht zijn het wetenschappelijke resultaat van een
eeuwenlange speurtocht naar die ene algemene formule die ons heelal beheerst. Men
slaagt er voorlopig dus al in alle krachten te herleiden tot deze vier, maar nog niet om
deze krachten onder één en dezelfde noemer te brengen; deze ‘final four’ – zoals dat in
het volleybal heet – zijn het uiteindelijke resultaat van het samennemen van fysische
waarnemingen en van het omschrijven en herschrijven van andere formules. Alle andere
krachten zijn afgeleid van deze fundamentele oerkrachten.
Einstein was maar één voorbeeld van de hele waslijst wetenschappers die wel in een
GUT geloofde, maar er niet in slaagde om die ene formule te vinden.
- 32 Volgens vele hedendaagse wetenschappers bestaat dergelijke formule helemaal niet. We
zouden ons in een te koud heelal met een lage energie bevinden waarin krachten en
materie twee afzonderlijke begrippen zijn.
Daartegen staat dan weer dat het heelal er niet altijd heeft uitgezien zoals nu. De kosmos
is wel degelijk drastisch afgekoeld sinds de oerknal.
De oerknal. Daar ligt volgens zowat alle wetenschappers de sleutel tot het geheim. Op het
ogenblik van de oerknal zouden de drie krachten en de zwaartekracht voor een fractie van
een seconde als één enkele wisselwerking bestaan kunnen hebben.
Voorlopig heeft men al een idee gekregen van wat er zich in minder dan een miljard
biljoenste van een seconde na de oerknal heeft afgespeeld. Net die fractie na de
wisselwerking van de krachten dus.
Na de oerknal heeft elk van de krachten een tijdlang de overheersende positie ingenomen
in het heelal. De eerste seconden na de oerknal was de zwakke kernkracht de heersende
kracht, met daar nog net voor het elektromagnetisme. De sterke kernkracht zou de eerste
paar miljardsten van een seconde na de oerknal dominant zijn geweest.
Nu is het de zwaartekracht die al ongeveer dertien en een half miljard1 jaar de overhand
heeft genomen.
De situatie op het moment van de oerknal zelf blijft echter een raadsel. Men kan enkel
vermoeden dat de vier krachten op dat specifieke moment niet te onderscheiden waren.
4.1.4 Deeltjesversnellers
Deeltjesversnellers zijn enorm lange buizen waarin men atomen die men de lichtsnelheid
laat benaderen door een botsing in hun componenten doet ontbinden. Men probeert de
bouw van atomen beter te begrijpen door hun bouwstukken van naderbij te gaan
bestuderen. Sommige wetenschappers vergelijken dit systeem met het kapotslaan van een
1
Volgens de meeste kosmologen heeft het heelal een leeftijd van 13,7 miljard jaar. Voor alle veiligheid
zeggen de meesten dat de leeftijd zich tussen de tien en de vijtien miljard jaar bevindt.
- 33 horloge, maar toch heeft deze onderzoeksmethode al enkele zeer belangrijke
ontdekkingen aan het licht gebracht.
4.1.5 GUT
In 1967 slaagden twee wetenschappers erin onafhankelijk van elkaar een stel
vergelijkingen op te stellen waarmee ze bewezen dat de zwakke kernkracht en het
elektromagnetisme op enkele factoren na dezelfde zijn. Steven Weinberg en Abdus
Salam zetten de eerste stap naar een geünificeerde veldtheorie.
Tijdens de jaren zeventig waren er nog wetenschappers die hun bewering over het één
zijn van deze twee krachten en de sterke kernkracht probeerden te staven aan de hand van
enkele wiskundige berekeningen.
Tot nu toe is het echter bij troebele benaderingen van een allesomvattende theorie
gebleven. Een deel wetenschappers probeert aan de hand van deeltjesversnellers dieper
binnenin de atomen te kijken om zo meer te weten te komen, terwijl anderen via enorme
telescopen de oneindig verre sterren proberen te analyseren. Bij beiden begint echter het
besef door te dringen dat zij in werkelijkheid hetzelfde aan het bekijken zijn.
4.2 Singulariteit
4.2.1 Definitie singulariteit
Singulariteit is een ander woord voor de oerknal. Het is
het moment waarop alle materie in één enkel punt was
samengeperst in een uiterst hete gasbol met een oneindig
grote massadichtheid.
Stephen Hawking (zie figuur links) en Roger Penrose
konden in1968 onder meer dankzij de berekeningen van
Friedmann aantonen dat deze oerknal er moèt geweest
- 34 zijn. De algemene relativiteitstheorie heeft nood aan minstens één moment van
singulariteit. Einstein had dit verschijnsel in zijn berekeningen aangeduid als een moment
waarop zijn algemene relativiteitstheorie niet gold. Hij was nu eenmaal slechts een mens
die fouten kon maken.
Hawking en Penrose baseerden hun redenering van singulariteit op het feit dat algemene
eigenschappen het bewijs konden leveren dat er een oerknal moet geweest zijn. Andere
groepen theoretische fysici probeerden te verklaren wat er op het moment van de oerknal
met individuele deeltjes was gebeurd, maar dit leidde tot een verkeerde wiskundige
interpretatie van het probleem.
4.2.2 Ontstaan tijd en ruimte
Een veelvoorkomende filosofische vraag is wat er zich dan buiten dit punt, buiten deze
singulariteit bevond en hoelang dat punt daar dan moet geweest zijn.
Dit is echter geen relevante vraag. Samen met materie, ontstonden ook tijd en ruimte
dankzij de oerknal. Deze begrippen hadden met andere woorden geen zin voordat de
oerknal had plaatsgevonden; een gevolg van het bewijs van het duo Hawking-Penrose.
4.2.3 Quantummechanica
Quantummechanica is de leer die zowel de subatomaire bouw van atomen als de
subatomaire wisselwerkingen beschrijft. Deze leer is gebaseerd op het
onzekerheidsprincipe van Heisenberg die stelt dat bepaalde paren grootheden, zoals de
positie en de snelheid van een elektron, nooit tegelijkertijd nauwkeurig kunnen worden
gemeten. Dit is meteen ook de reden waarom Einstein niet in de precisie van de
quantummechanica geloofde. Volgens hem paste deze leer niet binnen zijn relativistische
wereld. Vandaag blijkt de quantummechanica echter even belangrijk als de algemene
relativiteitstheorie. Bovendien is ook de quantummechanica geslaagd voor elke test die
haar werd opgelegd.
- 35 Het grote verschil met de algemene relativiteitstheorie is dat de quantummechanica geen
singulariteit toestaat. Zij verbiedt namelijk het tegelijkertijd vaststellen van de exacte
plaats, snelheid en grootte van gelijk welk individueel deeltje (in dit geval singulariteit).
Als we ooit tot een algemene, geünificeerde theorie willen komen, zal ook de
quantummechanica een plaatsje toebedeeld moeten krijgen.
4.2.4 Bewijzen singulariteit
Buiten het feit dat de algemene
relativiteitstheorie een punt van singulariteit
nodig heeft, zijn er nog twee andere
ontdekkingen die op singulariteit wijzen.
Arnold Penzias en Robert Wilson ontdekten in
1964 per toeval wat nu de achtergrondstraling
heet. Deze straling, die gelijkmatig over het
heelal is verdeeld, werd correct geïnterpreteerd
als een overblijfsel van de oerknal. George Gamow had een kleine twintig jaar eerder al
een Cassandra-roep gedaan over de achtergrondstraling, maar door de problemen die het
Friedmann-model met zich meebracht, werd deze voorspelling niet serieus genomen.
Een andere belangrijke vondst was de ontdekking dat het element helium vijfentwintig
procent van de massa van alle materie in de kosmos uitmaakt. Gamow had berekend dat
ongeveer honderd seconden na de singulariteit een kwart van alle protonen en neutronen
die net waren ontstaan, in helium zouden moeten veranderd zijn. De overige
vijfenzeventig procent bestaat grotendeels uit waterstof.
4.3 Zwarte gaten
Om een beter beeld te kunnen krijgen over de oerknal, hebben vele fysici de jacht ingezet
naar de studie van zwarte gaten. Deze zwarte gaten zouden namelijk overeenkomstige
kenmerken kunnen hebben met de oerknal. Een zwart gat is zowat de oerknal bij een zeer
- 36 massieve ster, maar dan wel in omgekeerde volgorde. Eerst heeft die ster een bepaald
volume en een bepaalde massa, terwijl ze daarna pas implodeert tot een zwart gat.
4.3.1 Pauliverbod
Het Pauliverbod, ook wel het uitsluitingsbeginsel van Pauli genoemd, stelt dat twee
elektronen niet dezelfde energieruimte in beslag kunnen nemen; materie kan niet
oneindig opeengepakt zitten.
4.3.2 Ontstaan zwarte gaten
Een zwart gat is per definitie een bol met zeer kleine straal (net geen singulariteit) met
een benadering van een oneindige massadichtheid.
Een ster blijft enkel in leven wanneer een evenwicht bereikt wordt tussen twee op haar
inwerkende krachten, de naar binnen gerichte zwaartekracht en de naar buiten gerichte
kracht van haar hitte en straling. Wanneer de ster geen brandstof meer heeft en dus geen
licht meer kan uitstralen, zal de zwaartekracht de ster doen imploderen, nadat het
afhankelijk van de grootte van de ster al dan niet geëxplodeerd was.
Aangezien de zwaartekracht het Pauliverbod enkel opheft wanneer de massa van de ster
gigantisch groot is (vanaf 3,6 keer die van de zon), zullen enkel deze sterren het stadium
van een zwart gat bereiken.
Aanvankelijk dacht men dat een zwart gat enkel het eindresultaat kon zijn van een zeer
zware ster, maar Hawking kon aantonen dat gelijk welke massa zich als een zwart gat kan
gedragen, zolang het maar een volume krijgt dat klein genoeg is. Als men de Mount
Everest zou samenpersen totdat deze het volume heeft van een elektron, zou de
zwaartekracht een zodanige invloed uitoefenen op zijn eigen massa, dat het zal
functioneren als een zwart gat. Aangezien de kracht die nodig is om voor deze druk te
zorgen nergens in het heelal te vinden is, moeten deze kleine zwarte gaten dus gevormd
- 37 geweest zijn bij het ontstaan van het heelal, namelijk tussen de muur van Planck (10^-43
seconde) en 10^-23 seconde na de oerknal.
Ook dacht men eerst dat niets aan de gravitatiekracht van een zwart gat zou kunnen
ontsnappen en dat bijgevolg een zwart gat geen enkel signaal zou kunnen uitzenden. Ook
deze bewering kon Hawking weerleggen met ‘zijn’ exploderende zwarte gaten.
Voor meer uitleg over deze mysterieuze hemellichamen, verwijs ik graag naar het
eindwerk van Ken Caluwaerts en Gertjan van Hellemont: ‘Zwarte gaten in het Heelal’.
Het belangrijkste gevolg dat Hawking uit deze studie kon trekken was dat het heelal
misschien wel helemaal niet zo gelijkvormig was als eerder werd gedacht. Zelfs de
gemiddelde massadichtheid van het heelal was niet groot genoeg op het moment van het
ontstaan van de vele kleine zwarte gaten; de vele kleine zwarte gaten konden dus enkel
gevormd worden op plaatsen met een hogere massadichtheid dan normaal.
Met zijn uitspraak aan het begin van het vierde hoofdstuk, counterde Hawking Einsteins
uitspraak ‘God dobbelt niet met het heelal’. Hiermee wijst hij erop dat het heelal veel
ingewikkelder in elkaar zit dan Einstein had gedacht, maar hij toont ook aan dat Einstein
in een periode leefde waar nog lang niet zoveel gekend was over het heelal als nu; de
dobbelstenen zouden wel eens in een zwart gat verstopt kunnen zitten.
4.4 Nieuwe theorieën
Men kon vanaf 10^-43 seconde na de oerknal bepalen hoe de evolutie van het heelal moet
verlopen zijn. Vòòr deze Plancktijd voldeden de formules niet meer om te beschrijven
welke krachten er juist werkzaam waren. Men kon dus het juiste verloop van de oerknal
niet beschrijven, waardoor er nog steeds wetenschappers waren die geen geloof hechtten
aan deze theorie.
- 38 4.4.1 Bellentheorie
Veel theoretici waren uitermate tevreden met de oerknaltheorie die tot een voorlopig
uitdijend heelal leidt. Er zijn echter een paar feiten die niet verklaard kunnen worden
door deze theorie. Sommige wetenschappers vinden de oerknal niet de gepaste verklaring
voor de gelijkvormige verdeling van de achtergrondstraling in ons heelal.
De scherven van een bom zullen toch ook niet in een perfecte cirkel worden
weggeschoten wanneer deze ontploft? Bovendien verklaarde de knaltheorie niet waarom
het heelal geen preciese cirkelvorm, maar eerder een platte vorm had, zoals een tafelblad.
Het principe van de bellentheorie gaat als volgt: meerdere bellen – niet één enkele –
bliezen zich op als ballonnen in de lege ruimte. Elke bel zou later een heelal gaan
vormen. In het allereerste begin was er een ongelijkmatig verdeeld mengsel van
energiepunten, elke heter dan miljarden malen de temperatuur van de zon. Door hun hitte
konden deze punten zo snel uitdijen dat ze al snel veel van hun warmte verloren en
onderkoeld geraakten.
Deze onderkoelde energiepunten moeten bestaan hebben rond 10^-43 seconde na het
begin der tijden. Ze bestonden maar voor een enkel ogenblik, totdat ze vanaf 10^-35
seconde een enorme energiehoeveelheid van de gravitatievelden rondom zichzelf
onttrokken en immense bellen begonnen te vormen. Vanaf 10^-35 seconde zou het knalscenario terug gelden.
Het omvormen van de energiepunten tot de bellen noemt men ook het principe van het
‘valse vacuüm’. Hierbij wordt volgend voorbeeld vaak beschreven: water zal maar heel
eventjes in zijn vloeibare toestand blijven, wanneer men het in een ruimte brengt dat ver
onder de 273 graden Kelvin ligt. Het zal meteen kristalliseren en tot ijs worden
omgevormd.
Hetzelfde gebeurde bij de energiepunten, die dankzij een enorme energie-impuls bellen
begonnen te vormen.
- 39 Door de tragere ontwikkeling van het heelal die de bellentheorie met zich meebrengt,
waren veel fysici tevreden met deze voorstelling. Een tragere ontwikkeling betekent
namelijk dat de materie zich gelijkmatiger kon verdelen, waardoor overal dezelfde
temperatuur bereikt kon worden en dus een gelijkvormige straling in alle richtingen van
het heelal logisch werd. Bovendien zorgt de bellentheorie voor een verklaring voor de
vlakheid van ons heelal, met name door een fysische wet, in tegenstelling tot het
simpelweg aannemen dat de oerknal een plat heelal teweeg had gebracht.
Richard J. Gott, een jonge astrofysicus, kon met zijn berekeningen aantonen dat het
heelal, in het geval dat de bellentheorie klopt, niet zou stoppen met uitdijen. Dit geldt
trouwens ook voor de ontelbaar andere bellen die samen met de onze uit één van de
energiepunten zou ontstaan zijn. De bellentheorie is een specifieke oplossing voor de
veldvergelijkingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Bovendien heeft deze theorie geen nood aan een moment van singulariteit, waardoor ook
de quantummechanica niet langer in strijd is met het theoretisch ontstaan van het heelal.
Hawkings bewijs voor het noodzakelijk aanwezig zijn van een moment van singulariteit
geldt namelijk alleen wanneer men de algemene relativiteitstheorie als algemeen
geldende theorie beschouwt, hetgeen hier niet het geval is. De bellentheorie is een aparte
theorie, waar de wetten van de algemene relativiteit in het huidige heelal weliswaar
gelden, maar waarbij een ander scenario geldt voor de eerste 10^-35 seconde.
Doordat er volgens deze theorie vele bellen aanwezig moeten zijn, is de kans zeer groot
dat deze tegen elkaar botsen. Dit leidt tot een niet-homogeen heelal, wat in tegenstrijd is
met het waargenomen heelal. De Rus Linde opperde het idee dat er wel eens één enkele
bel gevormd zou kunnen zijn (zie figuur hieronder).
De Rus Linde opperde het idee dat er wel eens één enkele
bel gevormd zou kunnen zijn.
- 40 Toch schoot deze theorie op één punt tekort. Het heelal mag dan wel op grote schaal
homogeen zijn, op een kleinere schaal is dit niet helemaal het geval. Het heelal zit vol
klompen materie: melkwegstelsels, sterren,...
Het was dus niet duidelijk hoe een heelal dat vanuit een bel was gegroeid, dus zonder
knal, dergelijke brokken materie kon geschapen hebben.
Op een congres in juni 1982 probeerden de 32 kopstukken uit de hele wereld op het
gebied van kosmologie een oplossing voor dit probleem te zoeken. Spijtig genoeg
slaagde men hier niet in. Een nieuwe theorie was hoogst nodig.
4.4.2 Snaartheorie
De GUT’s uit de jaren ’80 slaagden erin om de drie quantumkrachten (de sterke
kernkracht, de zwakke kernkracht en het elektromagnetisme) op enkele factoren na onder
dezelfde noemer te brengen. De zwaartekracht kon hier weliswaar niet aan gelinkt
worden. Bovendien slaagde men er in om de drie quantumkrachten zowel toe te passen
op Einsteins algemene relativiteitstheorie als op de quantummechanica, maar wederom
was de zwaartekracht de spelbreker. De zwaartekracht paste niet in het plaatje van de
quantummechanica. In het midden van de jaren tachtig kwamen de Amerikanen John
Schwartz en Michael Green met een nieuwe theorie op de proppen die de zwaartekracht
wel aanvaardde: de snaartheorie.
De snaartheorie stelt dat minuscule
snaartjes de fundamentele bouwstenen van
het heelal zijn. Men onderscheidt de open
en de gesloten snaren. Ze zouden
miljarden keren kleiner zijn dan de
kleinste bouwstenen die men al heeft
ontdekt in deeltjesversnellers, de
zogeheten quarks. Alle andere deeltjes zijn
het gevolg van oneffenheden van deze
snaartjes, net zoals ook de snaren van een
- 41 gitaar verschillende noten kan voortbrengen. Zo zouden elektronen, quarks en alle andere
deeltjes afkomstig zijn van deze trillingen, maar ook de drie subatomaire krachten.
Bovendien bleek ook de zwaartekracht een logisch gevolg van deze trillende snaartjes, de
eerste keer dat deze kracht binnen een schema paste.
Hiermee kwamen Schwartz en Green zeer dicht bij een algemeen geldende geünificeerde
theorie waarbij de zwaartekracht en de beschrijving van de fundamentele bouwstenen van
de natuur onlosmakelijk met elkaar verbonden waren.
Deze snaartheorie bracht echter wel met zich mee dat we ons in een 10-dimensionale
wereld moesten bevinden. Enkel in een 10-dimensionale ruimte bleek er voldoende plaats
om de zwaartekracht aan de quantummechanica te linken. Volgens sommige
snaartheoretici zouden we zelfs in een 11-dimensionale wereld leven.
Vier van deze dimensies zijn algemeen gekend: zowel de lengte, de hoogte als de breedte
zijn drie ruimtelijke dimensies, terwijl de tijd volgens de algemene relativiteit een vierde
voor ons waarneembare dimensie is. De overige zes (of misschien wel zeven) zouden zo
minuscuul klein zijn, dat we ze niet zouden kunnen waarnemen. Brian Greene verklaarde
daarom dat we in een soort tuinslang-universum zouden leven. Kleine tuinslangwezentjes
kunnen niet enkel langs de lengte van de tuinslang van punt A naar punt B bewegen,
maar ook in spiraalvormige bewegingen langs de binnenkant van het oppervlak. Deze
dimensie is dus niet uitgestrekt zoals de lengte, maar opgerold en ze is enkel
waarneembaar wanneer je de tuinslang van dichterbij gaat bestuderen.
Zo omschrijven fysici ook de nieuwe dimensies in het echte heelal.
Deze theorie leek zeer geschikt als geünificeerde theorie, tot er begin jaren ’90 opeens
vijf verschillende perfecte snaartheorieën bleken te bestaan. De fysici zaten nu met de
handen in het haar, omdat ze niet wisten dewelke ons heelal op de juiste manier
beschreef.
In 1995 bracht de Amerikaanse snaartheoreet Edward Witten de oplossing. Op een lezing
vertelde hij hoe alle vijf de theorieën vanuit telkens een ander standpunt juist hetzelfde
- 42 vertelden. Er was dus een overkoepelende theorie die hij de M-theorie noemde. De M
voor mysterie, matrix en membranen. De M-theorie beschrijft namelijk veel uitgebreidere
objecten dan trillende snaartjes, de zogenaamde branen. Deze p-branen, zoals een andere
Amerikaan Paul Townsend ze doopte, komen dan telkens voor in p-dimensies waarbij 11
het maximum is. Er bestaan met andere woorden 1-branen die in één dimensie
voorkomen, 2-branen die zich in twee dimensies wringen enzovoort. Wederom zouden
deze dimensies uiterst klein zijn, waarrond deeltjes draaien zoals bijvoorbeeld graviton,
dat verantwoordelijk wordt geacht voor de zwaartekracht.
Voorlopig wordt nog steeds volop gewerkt aan de vervollediging van deze M-theorie.
Het lijkt alsof deze vervollediging van de Grand Unifying Theory de eindfase is van de
theoretische fysica op gebied van de kosmologie. Hoewel, men weet nog steeds niet hoe
het heelal zich gedroeg op het moment van de oerknal.
De snaartheoreticus Robbert Dijkgraaf van de Universiteit van Amsterdam sprak tijdens
een zitting volgende woorden uit die de modernste ontwikkelingen op gebied van de
theoretische fysica als logisch gevolg beschrijven van een eeuwenlange strijd met de
natuur.
‘Snaartheorie is de extreemste vorm van theoretische fysica en de belangrijkste
kandidaat voor een quantummechanische beschrijving van de zwaartekracht. Dat is
nodig omdat de huidige theorieën, in het bijzonder de relativiteitstheorie, onvolledig zijn.
Snaartheorie werkt niet met elektronen of quarks maar met een soort mini-elastiekjes die
op allerlei wijzen kunnen trillen. Alle verschillende elementaire deeltjes om ons heen
zouden dan ontstaan als de trillingen van een enkele snaar, zoals de boventonen van een
vioolsnaar. Op deze wijze is het mogelijk ook de zwaartekracht volgens de wetten van de
quantummechanica te beschrijven. Met dat uitgangspunt kan snaartheorie bijvoorbeeld
extreem zware én erg kleine objecten beschrijven, zoals zwarte gaten en het heelal vlak
na de oerknal.’ 1
1
WALES, J., Snaartheorie, http://nl.wikipedia.org/wiki/Stringtheorie
- 43 Misschien zitten de moderne fysici er wel helemaal naast. Misschien staat er morgen wel
een nieuwe Einstein op die opnieuw de wetten van de natuurkunde helemaal overhoop
zal halen. Misschien hoeft dit helemaal niet het eindpunt te zijn van de theoretische
fysica. Binnenkort zullen we het wel weten. Hoewel ja, dat is relatief natuurlijk.