Geschiedenis en Cultuur

Einstein zou gelijk kunnen hebben, alweer

De rare voorspellingen die de relativiteitstheorie over het gedrag van materie, ruimte en tijd doet, blijken te kloppen – en dat al honderd jaar.

Door Michael Greshko

10 februari 2016

Als de geruchten van de laatste tijd kloppen, hebben wetenschappers eindelijk zwaartekrachtgolven gemeten, oftewel schokgolven die rimpels veroorzaken in het weefsel van ruimte en tijd zelf. Het was Albert Einstein die het bestaan van zulke golven honderd jaar geleden voor het eerst opperde, en de directe meting ervan zou de definitieve bevestiging betekenen van zijn meesterwerk, de algemene relativiteitstheorie.

Op donderdag zullen we weten of Einstein (voor de zoveelste keer) gelijk heeft. Dan beleggen onderzoekers van Caltech en MIT een persconferentie, waarschijnlijk om aan te kondigen dat ze de minieme wiebeling van zwaartekrachtgolven hebben waargenomen, veroorzaakt door twee op elkaar botsende zwarte gaten.

Einstein werd niet altijd gezien als een groot genie. Toen hij zijn buitenissige theorieën over relativiteit voorstelde, zetten sommige wetenschappers protesten op touw. Anderen vielen hem aan in de pers en hekelden niet alleen zijn ‘gevaarlijke’ ideeën maar ook zijn Joodse identiteit.

Einsteins baanbrekende studies deden de natuurkunde op haar grondvesten schudden. In zijn universum lijkt Einstein te jongleren met noties als positie en snelheid – maar niet met het licht, dat met de onverstoorbare snelheid van driehonderdmiljoen kilometer per seconde door de ruimte zoeft, althans in een vacuüm. Ruimte en tijd vormen één vierdimensionale stroop genaamd ‘ruimtetijd’, die door materie kan worden uitgerekt en vervormd. En bewegende massa moet altijd de kromming van die ruimtetijd volgen, zich voegen naar de verborgen structuur die wij als zwaartekracht ervaren.

Het klonk destijds krankzinnig. Maar in de afgelopen eeuw hebben experimenten telkens weer bewezen dat Einstein gelijk had. Het aantal keren dat zijn theorie is bevestigd, is te groot om op te sommen, maar de hoogtepunten zijn indrukwekkend genoeg.

Licht is een golf – én een deeltje

Einstein werd vooral beroemd vanwege zijn relativiteitstheorie, maar zijn (enige) Nobelprijs ontving hij voor baanbrekend werk op het gebied van het licht. In de klassieke natuurkunde werd licht als een golf beschouwd, maar die theorie kon niet verklaren hoe en waarom metalen licht uitzenden als ze aan straling (bijvoorbeeld licht) worden blootgesteld – een fenomeen dat het ‘foto-elektrisch effect’ wordt genoemd.

Einstein verklaarde dit merkwaardige effect door te stellen dat licht in feite bestaat uit afzonderlijke golfpakketjes of fotonen, elk met een energie die berust op de frequentie van het licht. De ontdekking leidde tot het ontstaan van de moderne kwantumfysica, waarin ook wordt gesteld dat alledaagse atomen zich heel vreemd en ‘golfachtig’ kunnen gedragen, een ontdekking waaraan Einstein eveneens een bijdrage leverde.

Ruimtetijd kan buigen

De eerste grote bevestiging van Einsteins relativiteitstheorie kwam toen hij een verklaring wist te geven voor een geheimzinnige wiebeling in de baan van de planeet Mercurius. Al in 1859 had de briljante Franse astronoom Urbain Le Verrier dat fenomeen toegeschreven aan de aantrekkingskracht van een nog onontdekte planeet – voorlopig Vulcanus genoemd – op Mercurius. Maar ondanks jarenlange pogingen werd er geen enkel geloofwaardig bewijs voor het bestaan van ‘Vulcanus’ gevonden.

Tot grote opwinding van Einstein zelf bleek dat zijn algemene relativiteitstheorie het idee van Vulcanus naar de schroothoop verwees. Zijn theorie toonde aan dat de ruimtetijd wordt gekromd door de enorme massa van de zon, zoals een bowlingbal het strak gespannen vel van een trampoline vervormt. En omdat Mercurius zo dicht bij de zon staat, neemt de planeet de kortste weg door die door de zon vervormde ruimtetijd. Geen verborgen planeet dus, wél een kosmische structuur die Newton zich niet had kunnen voorstellen.

Ruimtetijd kan als lens fungeren

Tijdens een zonsverduistering in mei 1919 werd Einstein opnieuw in het gelijk gesteld. Volgens zijn relativiteitstheorie moest de kromming van de ruimtetijd als gevolg van de massa van de zon betekenen dat het op aarde waargenomen licht zou worden afbogen, zoals door een lens.

De Britse astronoom Arthur Eddington nam grote foto’s van de zonsverduistering en ontdekte dat de zon inderdaad het licht van de sterren in de Hyaden-sterrenhoop uitsmeerde, met circa een tweeduizendste van een booggraad – in lijn met de voorspelling van Einstein, die had beweerd dat de buiging tweemaal zo groot zou zijn als werd voorspeld door de wetten van Newton.

Zelfs Einstein kon niet voorzien hoe bruikbaar dit fenomeen voor astronomen zou blijken te zijn: door hele sterrenstelsels als gigantische lenzen te gebruiken, kunnen ze nu verder terugkijken in de tijd, naar de vroegste periode van het universum. Zelfs wanneer astronomen dit lenseffect zónder zichtbare massa waarnemen, dan nog kunnen ze aan de hand van de vervorming van het licht enorme structuren van donkere materie in kaart brengen.

ROTERENDE MASSA’S ROEREN DE RUIMTETIJD OM Materie vervormt de ruimtetijd niet alleen als een bowlingbal op een trampoline. Ook een roterend hemellichaam (bijvoorbeeld de aarde) trekt de ruimtetijd een beetje met zich mee, als een rondgaande spaan in een vat met stroop. Hierdoor worden de ruimtecoördinaten en daarmee ook de banen van naburige satellieten vervormd, een bizar effect dat 'frame dragging' wordt genoemd.

Het effect werd in 1918 op basis van de relativiteitstheorie voorspeld, maar pas in 2004 bevestigd toen onderzoekers ontdekten dat de banen van twee satellieten lichtjes waren verschoven door de rotatie van de aarde. In 2011 werd het fenomeen nauwkeuriger gemeten met behulp van de NASA-sonde Gravity Probe B.

Zwaartekracht vertraagt de tijd

In Einsteins formules kan materie de tijd ook versnellen of vertragen – en de kleur van licht veranderen. We weten nu dat deze spookachtige voorspellingen juist waren, omdat het licht van een ster die zich ver van ons vandaan bevindt, een hogere frequentie heeft (en dus blauwer lijkt) dan wanneer we dezelfde ster van dichterbij zouden bekijken. Hoe verder een waarnemer zich van de ‘gravitatieput’ van de aarde verwijdert, des te lager is de frequentie van het licht dat vanaf de aarde wordt uitgezonden, een verschijnsel dat ‘gravitationele roodverschuiving’ wordt genoemd.

Het gaat om extreem kleine invloeden, maar wie ze negeert, zal met z’n mobieltje in de problemen komen: zonder correcties op basis van de relativiteitstheorie zouden de klokken in onze GPS-satellieten elke dag 38 microseconden voorlopen op de klokken hier op aarde. Daarmee zou het wereldwijde navigatiesysteem al na twee minuten in de war worden geschopt en zou er elke dag een afwijking van tien kilometer bijkomen.