Robbert Dijkgraaf, NRC Magazine augustus 2005
Honderd jaar geleden verbaasde Albert Einstein de wereld met zijn revolutionaire ideeën over ruimte en tijd. Daarom is 2005 uitgeroepen tot het World Year of Physics. Wat zijn de grote vragen waar een nieuwe Einstein, nu misschien een innovatie expert in Shanghai of Bangalore, zich over kan buigen?
Over de ontbrekende 95 procent van ons heelal, over de aard van de zwarte
gaten, over donkere energie of donkere materie? Of gewoon over de vraag of er
over honderd jaar
nog wel natuurkunde bestaat?
Heeft u al last van Einstein-vermoeidheid? [...]
Toch is het goed stil te staan bij het enorme genie van Einstein en de manier waarop hij onze kijk op de wereld compleet heeft weten te veranderen. [...]
In de 17de eeuw creëerde Newton eigenhandig de moderne natuurwetenschap: een elegant stelsel van wiskundige vergelijkingen waaraan alle objecten in de natuur voldoen, van de planeten in de hemel tot de spreekwoordelijke appel op aarde.
Newton beantwoordde de vraag die ieder kind stelt: 'Waarom valt de maan niet naar beneden?' In zijn mechanische wereldbeeld, dat loopt als een goedgeolied Zwitsers uurwerk, werd het voor het eerst mogelijk om de precieze uitkomsten van experimenten te berekenen. Dit leek een prestatie die nooit geëvenaard zou worden. Er is maar één systeem van het universum om te ontdekken, en Newton had het ontdekt.
Maar meer dan twee eeuwen later wist Einstein deze prestatie toch te overtreffen. Met excuses aan zijn illustere voorganger ('Newton, vergeef me', zou hij later in zijn autobiografie schrijven) schoot Einstein in een periode van slechts een aantal maanden het klassieke bouwwerk van Newton aan gruzelementen. [...]
Bij Newton vormden zij slechts het decor waarin de natuurverschijnselen zich afspeelden. De ruimte werd verondersteld als oneindig en vlak, precies zoals de oude Grieken het zich al voorstelden, en de tijd was 'absoluut, waar en wiskundig' , een eindeloos doortikkende kosmische metronoom die zich van niemand iets aantrok. Maar Einstein brak radicaal met dit beeld.
Bij hem kreeg het decor de hoofdrol toebedeeld. Hij liet zien dat ruimte en tijd innig verstrengeld zijn. Het hangt maar helemaal af van de plaats en de snelheid van een waarnemer of twee gebeurtenissen voor of na elkaar plaatsvinden. Alles werd relatief. Met E=mc2, ongetwijfeld de beroemdste natuurkundige formule aller tijden, liet hij zien dat massa kon worden omgezet in pure energie en dat omgekeerd iedere vorm van energie massa draagt. En alsof dat allemaal niet genoeg was, leerde Einstein ons in datzelfde jaar ook hoe licht zich tegelijkertijd als een golf en een deeltje kan voordoen en vond hij een methode die voor het eerst het bestaan van moleculen aantoonde. [...]
[...]
Met alle excuses aan Newton en Einstein, er was geen perfect begrepen wereld, toen niet en nu niet.
[...]
Alle eigenschappen van alle materialen waren in 1905 fundamenteel onbegrepen. Het was niet eens duidelijk dat je deze vragen mocht stellen. Daarvoor moesten eerst atomen en moleculen ontdekt worden en alle natuurkundige revoluties van de afgelopen eeuw plaatsvinden. Pas nu, honderd jaar later, na al deze inspanningen, kunnen we het antwoord op deze vragen in principe rechtstreeks berekenen, net zoals Newton dat voor de banen van de planeten deed.
Weet u precies hoeveel u niet weet? Dat is soms het dubieuze voorrecht van de natuurkundige. Zo weten we sinds kort hoe de energie in het heelal is verdeeld. En dat is een uiterst nederige ervaring. Want maar 5 procent van die energie blijkt te bestaan uit de materie en straling die in de natuurkundeboeken terug is te vinden. De resterende 95 procent is volstrekt onbekend. Daar gaat het idee al dat de fysica af is!
Door gebruik te maken van het meest dramatische gevolg van Einsteins ideeën: het feit dat het heelal leeft, dat ruimte en tijd hun eigen geschiedenis en toekomst hebben.
Het klinkt zo simpel, maar het is een onvoorstelbare triomf van de wetenschap, dat we binnen een eeuw deze geschiedenis van bijna 14 miljard jaar hebben weten te reconstrueren. En wat een leven is het geweest, wat een drama.
 | Eerst het prille begin, een fractie van een seconde na de oerknal, |
| toen het complete heelal in een onvoorstelbare concentratie van energie in een enkel puntwas samengebald. |
| Daarna de explosieve fase waarin het heelal razendsnel uitdijde en alle materie werd geschapen. |
| En uiteindelijk een lange periode van gestage groei tot de huidige majestueuze omvang, waarin langzamerhand de sterrenstelsels zich vormden. |
[....]
Via enorme telescopen en gevoelige satellieten komt nu een stroom van precisiemetingen tot ons. Het oplichtende panorama is werkelijk adembenemend.
[...]
Aan de hemel blijkt een vingerafdruk van de oerknal te staan in de vorm van kosmische straling afkomstig van vlak na de Big Bang. Deze babyfoto van het heelal, toen pas 400.000 jaar jong, draagt al de kiemen in zich die uiteindelijk zouden uitgroeien tot de ontelbare sterrenstelsels om ons heen. En we wachten in spanning op de detectie van de eerste zwaartekrachtsgolven, rimpels in de ruimte en tijd die als vloedgolven vanaf de oerknal zijn komen aanrollen.
[...]
Uit al deze nieuwe metingen kan de levensloop van het heelal zorgvuldig worden gereconstrueerd. Omdat de verschillende vormen van energie, zoals straling of materie, ieder een eigen herkenbaar effect hebben, ...
| Een kwart daarvan is een onbekende vorm van materie die zich in grote
wolken rond melkwegstelsels ophoopt. Deze zogenaamde donkere materie bestaat
waarschijnlijk uit nog te ontdekken deeltjes en is volkomen onzichtbaar. Ze
straalt geen licht uit en draagt geen lading. Ze kan dwars door de aarde
vliegen zonder dat we er iets van merken. Het is een spookachtige gedachte
dat deze schaduwwereld bestaat, zonder dat we er contact mee kunnen maken.
Wat speelt zich allemaal onder onze ogen af in deze dark side van het
heelal? |
| De overige driekwart van het heelal is een nog vreemder verhaal. Deze lijkt helemaal niet uit deeltjes te bestaan, maar uit pure energie, die rechtstreeks in de lege ruimte ligt opgeslagen. Letterlijk komt hier iets uit niets. |
Met deze bizarre mogelijkheid had Einstein al rekening gehouden. We zijn gewend dat de zwaartekracht altijd aantrekt - levitatie behoort tot het domein van de Maharishi Yoghi en andere zweverige types - maar in de relativiteitstheorie bestaat er wel degelijk anti-zwaartekracht. De energie van het vacuüm, die we nu donkere energie noemen (niet te verwarren met donkere materie), maakt de ruimte tot een ingedrukte spons. De ruimte stoot zichzelf af en dijt alleen maar sneller en sneller uit. Het is alsof de natuur flink op het gaspedaal trapt. Die uitdijing produceert weer nieuwe lege ruimte en dus weer meer donkere energie. Donkere energie is dus echt een groeimarkt en zal in de verre toekomst alles domineren.
Volgens de huidige inzichten zal het heelal over een paar honderd miljard jaar zover zijn opgerekt, dat er haast alleen nog maar lege ruimte over is. In dat kille en lege heelal, waarin niet langer andere sterrenstelsels aan de hemel zullen staan, zullen we ons erg eenzaam gaan voelen. En dat is nog het optimistische scenario. Er zijn ook rampspoedvarianten waarin de donkere energie zo snel groeit dat het heelal op een gegeven moment in een Big Rip uit elkaar wordt gescheurd.
Er zit poëzie in het feit dat de evolutie van het heelal wel eens bepaald zou kunnen worden door de eigenschappen van de allerkleinste deeltjes. Deze worden geregeerd door de bizarre regels van de quantummechanica.
[...]
De liberale quantumwetten staan dingen toe die Newton nooit had goedgevonden. Zo kunnen deeltjes uit het niets ontstaan, als ze maar snel genoeg verdwijnen, voordat ze gedetecteerd kunnen worden. Deze spookdeeltjes laten toch een spoor achter in de vorm van donkere energie.
Volgens de theoretische berekeningen vinden we de gemeten waarde pas op de 120ste decimaal achter de komma. Dat is een absurd klein getal, ongeveer gelijk aan de kans dat de spreekwoordelijke chimpansee precies deze zin in één keer weet te typen. Waar komt zo'n 'onnatuurlijk' klein getal vandaan? Dit is een van de allergrootste raadselen van het heelal. Het is rechtstreeks verbonden aan de vraag waarom het heelal zo onvoorstelbaar groot is, althans ten opzichte van de elementaire deeltjes waaruit het is opgebouwd.
[...]
Zwarte gaten zijn misschien wel de meest bizarre voorspellingen van Einsteins theorie. Ze spreken in ieder geval heftig tot de verbeelding. Een zwart gat kan ontstaan als een ster aan het einde van haar leven, als alle brandstof is opgebruikt, onder invloed van de zwaartekracht ineen gaat storten.
Op een gegeven moment is deze implosie niet meer te houden en wordt alle materie samengetrokken in één punt, de singulariteit genaamd. Daar wordt de zwaartekracht oneindig sterk, waardoor alles onherroepelijk fijn wordt geperst.
Zwarte gaten zijn daarmee kleine broertjes van de oerknal, maar dan omgekeerd in de tijd. want in de singulariteit stopt de tijd letterlijk. Daar is de fysica dus echt afgelopen, over en uit, finito.
[...]
Zo bevindt zich in het centrum van ons Melkwegstelsel een gigantisch zwart
gat, dat zo
zwaar is als vier miljoen zonnen. Rondom deze superzware slokop kun je sterren
met onvoorstelbaar hoge snelheden hun rondjes zien draaien. In deze supersized
versie van ons zonnestelsel hebben sterren de rol van de planeten
overgenomen en wordt de zon gespeeld door het massieve zwarte gat.
[...]
Maar wat gebeurt er nu eigenlijk in het binnenste van een zwart gat? Hoe kan
tijd nu stoppen? Hoewel niemand direct een kijkje zal gaan nemen, is deze vraag
van meer
dan theoretisch belang. Hij is direct verbonden aan een andere levensgrote
vraag: 'wat gebeurde er bij de oerknal, toen de tijd begon?'
Hier laten Einstein en de moderne fysica het helaas afweten.
[...]
Een van de absolute succesverhalen van de afgelopen honderd jaar is de constructie van het Standaardmodel. Voor een theorie die alle bekende deeltjes en hun interacties beschrijft, is dat wel een heel bescheiden naam - niets hier van super, hyper of über.
Dat Standaardmodel is een wonder van wiskundige elegantie. Met wat passen en meten kan de formule op één regel. De quarks, elektronen, neutrino's en hun verre familieleden liggen in prachtige patronen uitgestald. De krachten die deze deeltjes op elkaar uitoefenen, volgen allemaal uit een diepe, onderliggende symmetrie.
Toch roept dit model ook een andere gedachte op:
| wie heeft dit n |