Boeken

Saturday, February 9, 2008

Zagen aan Einsteins stoelpoten

Ruimte en tijd die zelf uit punten bestaan of zelfs uit lussen. Kleine zwarte gaten die hetzelfde zijn als grote elementaire deeltjes. Lichtdeeltjes met een extreem hoge energie die sneller bewegen dan lichtdeeltjes met een lage energie. Fysici hebben de afgelopen decennia talloze concepten bedacht die verder gaan dan Einstein ooit heeft durven dromen.

Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, januari 2005

E(spaña) = m(ucho) c(alor)^2, zo zag ik laatst in Madrid op stapels T-shirts in souvenirwinkels staan. Ofwel: ‘Spanje = veel warmte^2’. Naast de formule was een vrolijke zon getekend. Einsteins beroemde formule E=mc^2 hangend over een toeristenbuik, dan heb je het als wetenschapper warempel geschopt tot cultheld. Voeg daarbij Einsteins mediagenieke uiterlijk dat in talloze reclames en films is uitgebuit, en er ontstaat een beeld van een onaantastbaar wetenschapper, ver verheven boven de rest. Niets is minder waar. Einstein is niet heilig, en wetenschappers zagen maar al te graag aan zijn stoelpoten.

Hoewel Einstein in 1921 de Nobelprijs kreeg voor een verklaring van het foto-elektrisch effect, is het zijn relativiteitstheorie die het meeste tot de verbeelding spreekt. In zijn speciale relativiteitstheorie uit 1905 – dit jaar precies een eeuw geleden – liet Einstein zien dat de lichtsnelheid voor elke waarnemer, bewegend of niet, altijd gelijk is. Het gevolg daarvan is dat begrippen ruimte en tijd één concept zijn, de ruimtetijd. In het volgende decennium werkte Einstein deze theorie verder uit tot zijn algemene relativiteitstheorie uit 1916. Opnieuw was een grote conceptuele revolutie het gevolg. Zwaartekracht bleek ineens een eigenschap van de ruimtetijd zelf te zijn. Elke massa verandert de vorm van de ruimtetijd (zoals een zware bal een trampolinezeil indeukt) en beïnvloedt zo de beweging van een andere massa (zie kader ‘Einsteins relativiteitstheorie’).

Zagen aan Einsteins stoelpoten betekent trouwens niet dat Einsteins theorie nu ineens geheel fout zo zijn. Nee, het gaat om hoekjes van de theorie waar wellicht aanpassing nodig is. Net zoals Einstein een verfijning van Newtons zwaartekrachttheorie formuleerde, zo zou Einsteins theorie zelf ook weer een verfijnde formulering kunnen hebben. Die hoekjes waar de theorie eventueel aanpassing behoeft, bevinden zich in ieder geval op hele kleine lengteschaal (de kwantumschaal), maar misschien ook wel op kosmische lengteschaal.

Problemen op kosmische schaal
Nobelprijswinnaar en emeritus hoogleraar theoretische natuurkunde Martinus Veltman heeft zo zijn twijfels over de algemene relativiteitstheorie op kosmologische schaal: “Alle bewijzen die we hebben voor de algemene relativiteitstheorie spelen over zwaartekrachteffecten binnen een radius van pakweg de baan van Pluto, in ieder geval binnen afstanden van een planetair systeem. Maar wat weten we nou op grotere afstanden? Daar hebben astronomen exact nul evidentie. Dat is mijn probleem.”

Veltman noemt een aantal concrete problemen op. “We begrijpen nog niets van de kosmologische constante, die voor de versnelde uitdijing van het heelal lijkt te zorgen, en die uit Einsteins theorie volgt. Een ander probleem is de donkere materie, die zo’n 23 procent van de massa van het heelal zou uitmaken. Dat is een truc om een schending van de relativiteitstheorie te verklaren, maar er is geen enkel bewijs dat de hypothese correct is. Men weet ook helemaal niet wat donkere materie is. Het ene probleem lossen astronomen zo op met een ander probleem.”

Dan zijn er nog de zwarte gaten. Op zich heeft Veltman daar geen problemen mee, maar hij vraagt zich wel af of ze nog wel een oplossing blijven van een nieuwe theorie waarin zwaartekracht en kwantummechanica worden verenigd. “Ik zeg niet dat zwarte gaten niet bestaan, maar ik heb er wel twijfel over. Zwarte gaten zijn een oplossing van de relativiteitstheorie als je kwantumeffecten verwaarloost. Het zou kunnen dat de invoering van kwantumeffecten die zaak verandert. Daarnaast kunnen in theorie hele kleine zwarte gaten bestaan, maar die dingen die astronomen zien, zijn allemaal veel groter. Hoe kan dat dan?”
Dit soort bedenkingen wijzen voor Veltman in de richting van het aanpassen van de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. “Hoe dat precies moet gebeuren weet ik ook niet, maar ik sta hier niet alleen in. Er wordt wel degelijk door wetenschappers geprobeerd om de vergelijkingen zelf aan te passen.”

Toch zijn de twijfelaars aan de algemene relativiteitstheorie op kosmische schaal ver in de minderheid. De meeste fysici en astronomen erkennen weliswaar dat we nog bijna niets weten van de aard van donkere materie en nog lang niet alles van zwarte gaten, maar zien daar geen reden in om Einsteins zwaartekrachttheorie op grote schalen op de schop te nemen. Gerard ’t Hooft, in 1999 samen met Veltman winnaar van de Nobelprijs in de natuurkunde: “Op grote schaal klopt de theorie te goed om daar nog aan te sleutelen. Ook om zwarte gaten kunnen we echt niet heen. Maar er is één punt waar ik wél met Veltman meega. Wat we van de zwaartekracht op grote schaal niet begrijpen, is de kosmologische constante.” (zie het kader ‘De terugkeer van Einsteins kosmologische constante’).
Voor de meesten moeten de oplossingen voor enkele grote kosmologische raadsels als donkere materie en de versnelde uitdijing van het heelal juist komen van de wereld van het hele kleine: nieuwe, geheel onbekende deeltjes en kwantumschommelingen in de lege ruimte.

Ruimtetijd als een tapijt
De meningen over aanpassingen van Einsteins theorie in de wereld van het hele kleine zijn veel minder verdeeld dan bij de aanpassingen op de grote schalen. Iedere fysicus is het er wel over eens dat een verzoening van de algemene relativiteitstheorie met de theorie van de kwantummechanica nodig is. De resulterende theorie is een theorie voor de kwantumzwaartekracht.

Bizar genoeg is het precies de zwaartekracht die de grootste sta-in-de-weg is bij alle unificatiepogingen van de afgelopen decennia. De elektromagnetische, de sterke en de zwakke interactie zijn verenigd in het Standaard Model, die de vorm heeft van een kwantumveldentheorie. Hét grote probleem in de natuurkunde is het verenigen van de kwantumveldentheorie, de theorie van het hele kleine, met de algemene relativiteitstheorie, de theorie van het hele grote, van de zwaartekracht. Einsteins theorie van de zwaartekracht als een eigenschap van de ruimtetijd zelf werkt uiterst precies, maar is onhoudbaar bij hele kleine lengteschalen, van de orde van 10-33 centimeter, de Planckschaal. Daar valt de theorie vooralsnog onmogelijk te verenigen met de wetten van de kwantummechanica die op deze schaal ook moeten gelden.

Talloze pogingen worden ondernomen om een theorie voor de kwantumzwaartekracht te vinden. Niemand weet vooralsnog wat de juiste aanpak is. De zoektochten hebben diverse nieuwe, maar vooralsnog speculatieve concepten opgeleverd zoals trillende snaren, discrete ruimtetijdlussen en minuscule zwarte gaten.

Snaartheorie is van alle pogingen de meest bekende en meest ver gevorderde. Het basisidee is dat puntdeeltjes zoals quarks en elektronen, maar ook fotonen en gravitonen, eigenlijk minuscule, eendimensionale trillende snaartjes zijn, later nog uitgebreid met hoger dimensionale objecten als frisbees en klonten. “In wezen is het een heel eenvoudig uitgangspunt”, zegt Sander Bais, hoogleraar theoretische natuurkunde van de Universiteit van Amsterdam. “Maar het leidt wel meteen tot een allesoverkoepelende theorie. De theorie doet twee hele duidelijke voorspellingen. Op de allerkleinste afstandschalen wordt de ruimtetijd tien- of elfdimensionaal. En van alle bestaande deeltjes bestaan er een soort dubbelpartners, die we superpartners noemen.”

Loop Quantum Gravity is een andere bekende, maar veel minder ver gevorderde poging. Het idee achter deze theorie is dat de ruimtetijd bestaat uit een groot aantal aan elkaar geknoopte draadjes of lussen, een soort geknoopt tapijt. Tussen die lussen in bestaat er geen ruimtetijd, en daarmee is de ruimtetijd zelf discreet geworden en niet langer continu. Een radicaal idee, maar misschien niet radicaler dan het aannemen van trillende snaartjes in elf dimensies, zoals snaartheorie veronderstelt.

Gerard ’t Hooft, theoretisch fysicus aan de Universiteit Utrecht, vindt de discrete ruimtetijd een mooi idee dat de bedenkers echter nog onvoldoende hebben weten uit te werken. “Snaartheorie voert de ruimtetijd als een soort achtergrond in terwijl het eigenlijk een onderdeel van hun theorie zou moeten zijn. Bij Loop Quantum Gravity bestaat die achtergrond juist uit hun draadjes. Dat is op zich een goed idee. Nog mooier zou het zijn als we er in zouden slagen de snaren van de snaartheorie en de lussen van de Loop Quantum Gravity aan elkaar te koppelen. Daar wordt ook aan gewerkt, maar het invullen van de details van zo’n theorie is een enorme klus. De moeilijkheden zijn gigantisch groot. Essentieel hiervoor is de wiskunde van de knopentheorie en dat is een heel ingewikkeld vak.”

Tijdafhankelijke lichtsnelheid
Het kan nog controversiëler. Geïnspireerd op Loop Quantum Gravity is een theorie ontwikkeld die onder de naam Dubbele Speciale Relativiteitstheorie (DSR) door het leven gaat. Als de bedenkers van deze theorie gelijk hebben dan behoeft zelfs Einsteins speciale relativiteitstheorie aanpassing. Waar in Einsteins speciale relativiteitstheorie niets sneller kan gaan dan het licht, voert de DSR een tweede limiet in: niets kan een hogere energie hebben dan een bepaald maximum (de Planck-energie). Inmiddels bestaan er diverse versies van de DSR. Sommige hiervan voorspellen dat ultrahoogfrequent licht sneller zou gaan dan lager frequent licht. Bovendien zou de lichtsnelheid vanaf het ontstaan van het heelal tot nu langzaam een beetje kleiner zijn geworden. Allemaal zeer radicale ideeën.

De Amerikaanse theoretisch fysicus Leonard Susskind heeft weinig op met de DSR-theorieën. “Voor mij is het alsof ik water met mijn hand oppak. Het glipt door de vingers weg. De DSR-bedenkers nemen een slecht idee en ze vereenvoudigen hun vergelijkingen net zolang tot ze er resultaten uit persen. Vervolgens vinden ze dingen die in tegenspraak zijn met Einsteins speciale relativiteitstheorie en doen ze alsof dat een overwinning is.”

Susskind is een van de vroege bedenkers (1969) van snaartheorie, die vooral de laatste twintig jaar explosief verder werd ontwikkeld. Hij is hoogleraar theoretische natuurkunde aan Stanford University en heeft talloze baanbrekende bijdragen geleverd aan de natuurkunde van elementaire deeltjes, kwantumveldentheorie, kosmologie en de theorie van zwarte gaten.
“Ik zie geen enkele reden om te denken dat de snelheid van hoge-energie-fotonen groter is dan die van lage-energie-fotonen”, zegt Susskind, die in 2004 houder was van de Lorentz Leerstoel in Leiden. “Niets in de natuurkunde vraagt daarom. Het is zeker niet een noodzakelijke voorwaarde om zwaartekracht en kwantummechanica te verenigen. In snaartheorie is bijvoorbeeld perfect voldaan aan speciale relativiteit. Het was een van de vereisten die we er in hebben gestopt.”

In principe is het effect van een energieafhankelijke lichtsnelheid meetbaar, maar omdat een foton onderweg heel veel tegenkomt, is de interpretatie van de meetdata erg moeilijk. Susskind: “Als zo’n effect toch wordt gevonden, is het absoluut heel revolutionair. En revolutionaire dingen gebeuren nu eenmaal niet vaak. Dus ik geloof er niet erg in.” Hij wijst op een foto van de Nederlandse fysicus Hendrik Anton Lorentz die in zijn tijdelijke kamer in het Leidse Instituut Lorentz hangt. “Hij zou er zéér van slag van raken...en Einstein zelfs nog meer!”

Harde natuurconstanten
Ook ’t Hooft gelooft weinig van een tijdafhankelijke lichtsnelheid of een lichtsnelheid die afhangt van de energie van een lichtdeeltje. “Dat de lichtsnelheid afhangt van de energie zou nog wel kunnen, maar ik vind het buitengewoon onwaarschijnlijk. Dat idee wordt deels ingegeven door het feit dat men meer superenergetische kosmische straling heeft waargenomen dan theoretisch is voorspeld. De kosmische achtergrondstraling dempt hoogenergetische fotonen vrij sterk. Als die experimenten kloppen, dan treedt er minder demping op dan verwacht. Dat kan een aanwijzing zijn dat er iets aan de hand is.”
Dat de lichtsnelheid zelf tijdafhankelijk is noemt hij echter een volkomen foute bewering. “Je kunt niet zinvol praten over hoe een dimensievolle grootheid van de tijd afhangt. Dat mag je alleen doen voor een dimensieloos getal.” De maatlat waarmee je lengte meet en de klok waarmee je tijd meet, mag je zelf kiezen. Tegenwoordig wordt lengte zelfs gedefinieerd als het parcours afgelegd door een lichtstraal in een gegeven tijdsinterval. Daardoor ligt de lichtsnelheid op een vaste waarde verankerd. Als de natuurwetten in het vroege heelal anders waren dan nu, kan dat alleen blijken uit de verhoudingen van verschillende dingen die je meet.
In theorie zou wel de fijnstructuurconstante, een dimensieloze combinatie van de lichtsnelheid, de lading van het elektron en de constante van Planck, tijdafhankelijk kunnen zijn. Deze constante bepaalt de sterkte van de elektromagnetische wisselwerking en beïnvloedt bijvoorbeeld de frequentie van het licht dat atomen kunnen uitzenden. “De fijnstructuurconstante zou in theorie kunnen variëren”, zegt ’t Hooft, “maar ook dat acht ik buitengewoon onwaarschijnlijk, alleen om andere redenen. Je moet dan namelijk behoorlijke wijzigingen aanbrengen in het standaardmodel. Ik denk dat de lichtsnelheid en de fijnstructuurconstante echte harde natuurconstanten zijn. De nieuwste experimenten worden steeds nauwkeuriger en beperken een eventuele tijdafhankelijkheid van de fijnstructuurconstante steeds meer.”

Minuscule zwarte gaten
Zelf wil ’t Hooft inzicht krijgen in een theorie van de kwantumzwaartekracht door hele kleine zwarte gaten te bestuderen, zwarte gaten met een doorsnede in de orde van de Planckschaal: 10-33 centimeter. “Zwarte gaten zijn een extreme voorspelling van de algemene relativiteitstheorie. Ze mogen theoretisch willekeurig groot of klein zijn. Dus kunnen heel kleine zwarte gaten in principe bestaan. Wat is er nou beter om de overlap van kwantummechanica en algemene relativiteit te bestuderen dan juist zwarte gaten op de kwantumschaal? Als je een zwart gat steeds kleiner maakt, en een elementair deeltje steeds groter, dan komen die twee ergens bij elkaar. Op dat punt is een minuscuul zwart gat op geen enkele manier meer te onderscheiden van een groot elementair deeltje.”

Hij denkt bovendien dat wat nu kwantummechanica heet, eigenlijk een hele slimme manier is om statistiek te bedrijven. “Ik denk dat de kwantummechanica uiteindelijk overkoepeld wordt door een theorie die wel degelijk deterministisch is. Alleen zijn de vergelijkingen daarvan veel te ingewikkeld om ze op te lossen.” Dat idee grijpt terug op Einsteins eigen overtuiging. Ook hij geloofde niet dat de kwantummechanica de uiteindelijke fundamentele theorie voor de beschrijving van het hele kleine zou zijn. Het idee dat de kwantummechanica niets anders is dan een statistische beschrijving van heel ingewikkelde ‘onzichtbare’ verschijnselen, is een oud idee: de theorie van verborgen variabelen. Men is er nooit goed in geslaagd een theorie van dat type te formuleren die echt overtuigend werkt, maar dat zou kunnen komen juist doordat men de algemene relativiteitstheorie er nooit goed in heeft kunnen meenemen.

“Ik zie de natuur als een soort informatieverwerkende machine, als een soort computer”, vervolgt ’t Hooft. “De toestand van het heelal kun je op elk moment in getallen uitdrukken. Hoe die getallen evolueren, dat zijn de natuurwetten. Op de Planckschaal zijn het hele eenvoudige getalletjes, maar ga je naar grote schalen, dan worden dat hele grote getallen. Bij een bepaalde schaal worden de getallen zo groot dat je het beter over een continuüm kunt hebben.” Hij zoekt naar vergelijkingen die de evolutie van die getallen beschrijven. “Als ik op de plaats van de schepper zou zitten, zou ik het op die manier gedaan hebben. Maar ja, ik zit niet op die plaats, dus misschien zit het allemaal wel heel anders.”

Een ster als klok
De problemen van de algemene relativiteitstheorie liggen voor de meeste fysici en astronomen – maar niet voor alle – bij het hele kleine. Daar hebben we voorlopig alleen maar theorieën. Het zijn daarentegen juist verschijnselen op kosmische schaal die de experimentele bewijzen voor de theorie leveren. De meest nauwkeurige tests voor de algemene relativiteitstheorie komen uit waarnemingen van twee pulsars die om elkaar heen draaien, werk waarvoor Hulse en Taylor in 1993 de Nobelprijs voor natuurkunde kregen.

Een pulsar is een neutronenster die met een zeer constante omlooptijd (tussen milliseconden en seconden) om zijn eigen as draait. Het is een soort draaiende magneet die een lawine van geladen deeltjes uitzendt, en wel in een soort ronddraaiende vuurtorenbundels. Het Hulse-Taylor-systeem bestaat uit een millisecondepulsar en een veel langzamere secondepulsar. “De twee pulsars draaien in banen om elkaar die afwijken van de Newtonse mechanica en alleen maar voorspeld worden door Einsteins theorie”, zegt Michiel van der Klis, hoogleraar sterrenkunde aan de Universiteit van Amsterdam en in 2004 winnaar van de NWO Spinozapremie. “Dat is een prachtig zwaartekrachtexperiment. Je hebt een vacuüm, je hebt twee massa’s die je als puntmassa’s mag beschouwen en dan gedraagt een pulsar zich ook nog eens als een buitengewoon nauwkeurige klok door de precieze frequentie waarmee die bundel deeltjes ronddraait. De nauwkeurigste metingen bevestigen de algemene relativiteitstheorie binnen een half procent.”

Om afwijkingen van Einsteins theorie te vinden willen astronomen uiteraard zo extreem mogelijke situaties in het heelal bestuderen. Een uitgelezen kandidaat is een systeem waarbij een millisecondepulsar om een zwart gat heen draait. “Het zwarte gat zorgt voor nog extremere vervormingen van de ruimtetijd”, zegt Van der Klis, “dus als je ergens afwijkingen mag verwachten, dan is het daar wel.” Hij verwacht dat sterrenkundigen de komende jaren veel meer millisecondepulsars kunnen vinden dankzij verbeterde waarnemingstechnieken van de Low Frequency Array, LOFAR. Dat gaat de grootste radiotelescoop ter wereld worden, bestaande uit ruim vijfentwintigduizend kleine antennes, verspreid over de noordoostelijke Nederlandse provincies en een aantal omliggende landen. “Misschien zitten er bij die nieuw te ontdekken pulsars ook wel die om een zwart gat draaien”, zegt Van der Klis.
De meest extreme situatie die astronomen kennen, treedt op bij bepaalde röntgendubbelsterren. Van der Klis: “Daar zien we sterrenmateriaal op slechts een paar kilometer afstand boven een neutronenster of een zwart gat bewegen. Er heerst een extreem sterk zwaartekrachtveld. Als de relativiteitstheorie afwijkt van de werkelijkheid, dan is beweging onder invloed van extreem sterke zwaartekracht hét experiment waar je dat zou kunnen vinden.”

De discussies over een mogelijke aanpassing van Einsteins zwaartekrachttheorie vindt Van der Klis fascinerend, “maar uiteindelijk moeten we gewoon meten om te kijken hoe het zit, en dat is wat ik zo goed mogelijk probeer te doen.”

Klein ontmoet groot
Hoe het ook zij, duidelijk is wel dat de fundamentele fysica steeds meer overlapt met de astrofysica. ’t Hooft spreekt over het heelal als “één groot experiment” dat ons wellicht natuurverschijnselen kan laten zien die aanwijzingen geven voor de juiste theorie van de kwantumzwaartekracht. Want een groot probleem van alle huidige theorieën is dat het onmogelijk lijkt directe experimenten op aarde te doen die de theorieën op de proef stellen. De benodigde botsingsenergie die deeltjesversnellers daarvoor moeten bereiken is veel te groot. Fysici moeten dus wel naar de kosmos kijken.

Susskind vindt dat de combinatie van snaartheorie, de fysica van zwarte gaten en alle andere kosmologische vragen onze manier van denken over de wereld ingrijpend verandert. “Vragen over de kwantumzwaartekracht, over of we alleen maar in een subuniversum leven temidden van een heel landschap van universa vind ik veel opwindendere vragen dan de vragen over elementaire deeltjes. Deeltjes zijn saai. Ze hebben een paar eigenschappen als spin, lading en massa, en dat is het dan. Veel deeltjesfysici beschouwen kosmologie als een manier om meer te leren over elementaire deeltjes. Voor mij is het omgekeerd. Deeltjes zijn voor mij een manier om meer over het universum te leren. Het is ook een algemene trend: de echt interessante natuurkundige vragen zullen steeds meer uit de kosmologie komen.”

De race om de juiste theorie van de kwantumzwaartekracht te vinden is bij lange na nog niet gelopen. “Alle onderzoekers van de kwantumzwaartekracht benaderen het probleem op hun eigen manier”, zegt ’t Hooft. “De kansen voor de natuurkunde als vak zijn het beste als iedereen zijn eigen intuïtie volgt en zich niet stoort aan uitspraken van anderen dat een bepaalde aanpak helemaal niet kan. Tegen mij wordt ook gezegd: ‘wat jij wilt kan helemaal niet’. Daar trek ik me vooral niets van aan.”

Dat het zagen aan Einsteins stoelpoten ook de wetenschappelijke gemoederen flink kan verhitten, blijkt uit de volgende citaten uit enkele van de voor dit artikel gemaakte interviews (voor hun eigen bestwil maar even anoniem geciteerd): “Hij is gek!”, zei A over B. B op zijn beurt over A: “Hij is over de rand heen gevallen!” En B over C: “Hij bedrijft metafysica!” Ondanks alle verwoede pogingen om aan Einsteins stoelpoten te zagen, wankelt Einsteins relativiteitstheorie echter nog in het geheel niet.

[achtergrondkader:]
Einsteins relativiteitstheorie

In zijn speciale relativiteitstheorie, precies honderd jaar geleden (1905) gepubliceerd, postuleert Albert Einstein een geheel nieuw, tegenintuïtief idee over de relatie tussen ruimte en tijd. Of je de lichtsnelheid nou als stilstaande waarnemer meet, of als waarnemer in beweging, de lichtsnelheid die je meet is altijd constant. Dit heeft als belangrijk gevolg dat lengte bij hoge snelheden gaat krimpen en de tijd langzamer gaat lopen. Tijd en ruimte zijn niet langer afzonderlijke begrippen, maar horen in één gemeenschappelijk model: de ruimtetijd. Als een uitvloeisel van de Speciale Relativiteitstheorie leidt Einstein de beroemde vergelijking E=mc2 af, die uitdrukt dat de massa van een lichaam (m) een maat is voor zijn energie-inhoud (E). c is de constante lichtsnelheid, ongeveer driehonderdduizend kilometer per seconde.
Vervolgens werkt Einstein de speciale relativiteitstheorie uit tot zijn algemene relativiteitstheorie, die hij in 1916 publiceert. Waar de speciale relativiteitstheorie geldt voor lichamen die in een rechte lijn met constante snelheid bewegen, geldt de algemene relativiteitstheorie in de echte wereld, waarin lichamen ook van snelheid en richting kunnen veranderen. In Newtons theorie is de zwaartekracht een kracht die instantaan werkt tussen twee massa’s. Einstein introduceert een geheel nieuw concept: zwaartekracht is een eigenschap van de ruimtetijd zelf. Elke massa verandert de vorm van de ruimtetijd (zoals een zware bal een trampolinezeil indeukt) en beïnvloedt zo de beweging van een andere massa. Tijdens de zonne-eclips van 1919 werd voor het eerst experimentele bewijs voor Einsteins theorie gevonden: het zwaartekrachtveld van de zon blijkt het licht afkomstig van andere sterren af te buigen, precies zoals Einsteins theorie voorspelt. Deze bevestiging maakt Einstein in één klap wereldberoemd.

De hele kosmologie van de 20e eeuw steunt op de algemene relativiteitstheorie, van de verklaring van de roodverschuiving van sterrenlicht tot zwarte gaten. “Het is zó spectaculair als je ziet wat Einsteins relativiteitstheorie allemaal overhoop heeft gehaald”, zegt hoogleraar theoretische natuurkunde Sander Bais van de Universiteit van Amsterdam. “En al die voorspellingen zijn nu nog actueel.”

Bais somt een lijst met door waarnemingen bevestigde voorspellingen op die uit Einsteins relativiteitstheorie volgen. Zwaartekrachtlenzen, zoals een ster die het licht van andere sterren afbuigt. Het dynamische heelal, dat, zoals het er nu uitziet, alsmaar blijft uitdijen. Lichtgolven die worden uitgerekt door de uitdijing van het heelal, de roodverschuiving genaamd. Zwarte gaten, die bizarre in elkaar gestorte sterren waar de zwaartekracht zo sterk is dat het licht er niet meer kan ontsnappen. Goed, we kunnen ze niet direct zien, maar de indirecte aanwijzingen zijn sterk. En dan zijn er de zwaartekrachtgolven, rimpelingen in de structuur van de ruimtetijd zelf. Deze zijn nog steeds niet experimenteel gevonden alhoewel er allerlei indirect bewijs voor bestaat.

Over actualiteit gesproken: twee dagen na het gesprek met Bais verschijnt in het tijdschrift Nature een artikel met het eerste bewijs voor een tot voor kort ook nog niet gevonden voorspelling van Einsteins theorie: de zogeheten frame-dragging, het effect dat een draaiende massa de omliggende ruimtetijd een beetje met zich meesleept. De in april 2004 gelanceerde Gravity Probe B probeert trouwens hetzelfde effect te meten, maar dan nog nauwkeuriger.

[kader:]
De terugkeer van Einsteins kosmologische constante

Einsteins vergelijking voor de algemene relativiteitstheorie bevat eigenlijk een constante. Einstein dacht dat deze constante de aantrekkende zwaartekracht op kosmische schalen tegenwerkt en zo voor een statisch heelal zorgt, zijn ideaal. Toen Edwin Hubble echter in 1931 aan de hand van de dopplerverschuiving van sterrenlicht aantoonde dat het heelal wel degelijk uitdijt, verwierp Einstein zijn idee van een kosmologische constante. Hij noemde de ‘kosmologische constante’ zelfs de grootste blunder uit zijn leven. Decennialang namen wetenschappers daarna aan dat die constante wel nul zou zijn. Zolang er geen tegenbericht kwam, leek dat de meest voor de hand liggende aanname.

In de moderne kosmologie is de kosmologische constante echter weer helemaal terug. Sinds de waarnemingen van Perlmutter en Schmidt in 1998 aan supernova’s in ver verwijderde sterrenstelsels is er meer en meer experimenteel bewijs gekomen dat het heelal niet zo maar uitdijt, maar zelfs versneld groter wordt. De kosmologische constante die overeenstemt met die bevindingen is weliswaar heel klein, maar niet nul. “De vraag is niet waarom die term er is, maar waarom hij zo klein is”, zegt Leonard Susskind. “De term is een onverbrekelijk onderdeel van de algemene relativiteit. Een theorie moet elke constante die hij toelaat ook meenemen, tenzij je een goede reden hebt om aan te nemen dat hij nul is. En er zijn nooit argumenten geweest om te denken dat de kosmologische constante echt 0 is. Het blijft echter een mysterie waarom hij uiterst klein is.”

De huidige interpretatie van de kosmologische constante is dat hij de energie van het vacuüm vertegenwoordigt: donkere energie, die wel maar liefst 73% van de energie van het heelal uitmaakt. Wat die donkere energie precies is, is nog een raadsel. De term zou wel een kwantummechanische oorsprong hebben, die te maken heeft met het feit dat de kwantumwetten het toestaan dat in het vacuüm een hele korte tijd deeltjes bestaan. Geen enkele huidige theorie is in staat die kosmologische constante te voorspellen.

“De kosmologische constante stelt ons voor een probleem van enorme omvang”, zegt Gerard ’t Hooft. “Er is iets wat we nog helemaal niet begrepen hebben, zelfs in de klassieke theorie van de zwaartekracht op grote schalen. Ik denk zelf dat we de kosmologische constante alleen maar kunnen begrijpen als we de theorie van de kwantumzwaartekracht verbeteren. De theorie van de kwantumzwaartekracht kun je volgens mij niet los zien van de kosmologische constante.”

Internet
http://www.alberteinstein.info/ Einstein Archives Online
http://www.pbs.org/wgbh/nova/einstein/relativity/animations.html Animaties
http://www.superstringtheory.com/ De officiële snaartheorie website
http://www.edge.org/3rd_culture/smolin03/smolin03_index.html Lee Smolin legt de theorie van Loop Quantum Gravity uit, een alternatief voor de snaartheorie.
http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9811018 Andreas Albrecht en Joao Magueijo stellen het zeer controversiële idee voor dat de lichtsnelheid in het vroege universum groter was. Hiermee beweren ze een aantal kosmologische raadsels op te lossen.