 |
 |
 |
Bijna niemand zal betwisten dat Einsteins algemene relativiteitstheorie inmiddels algemeen aanvaard is. De theorie is zeer succesvol in het verklaren en voorspellen van waarnemingen. Of de algemene relativiteitstheorie de ultieme theorie over zwaartekracht is, is een andere discussie. Astronomen kunnen niet genoeg massa vinden om de grootschalige structuur van het heelal te verklaren en gaan er daarom van uit dat het vol zit met ongrijpbare donkere materie – of heeft Einstein dan toch niet de ultieme theorie over zwaartekracht ontwikkeld?
Slimme koppen zoals Verlinde hebben intrigerende nieuwe theorieën over de zwaartekracht voorgesteld zonder dat daarvoor spookachtige deeltjes nodig zijn. Anderen, zoals Hossenfelder, suggereren dat het onderwerp ongrijpbaar blijft omdat de verkeerde mensen eraan werken – natuurkundigen op het gebied van gecondenseerde materie zouden wellicht belangrijke inzichten kunnen bieden als ze zich zouden bezighouden met de structuur van de kosmos, wat ze echter niet doen. De tijd zal het leren, maar laten we terugkeren naar het onderwerp van vandaag.
Vanwege het succes van Einstein wordt algemeen aangenomen dat de lichtsnelheid de maximumsnelheid in de ruimte is. De lichtsnelheid is belachelijk hoog, ongeveer driehonderdduizend kilometer per seconde. Kun je je zo’n snelheid voorstellen? Ik niet. Er zou een oneindige hoeveelheid energie nodig zijn om materie tot lichtsnelheid te versnellen. Daarom zou je die snelheid alleen kunnen benaderen, maar nooit bereiken.
Kan er dan niets sneller bewegen? Welnu, materie kan dat niet, maar ruimte is duidelijk geen materie. Moderne inzichten in de interne werking van een zwart gat suggereren dat de ruimte zelf over de waarnemingshorizon zou stromen en daarbuiten de lichtsnelheid zou overschrijden. Dat verklaart waarom licht niet uit een zwart gat kan ontsnappen – vergelijk het gevangen licht met zalmen die tegen een te sterke stroming in proberen te zwemmen.
Om de ongelooflijke snelheid van het licht in perspectief te plaatsen, gaan we de astronomische schaal terugbrengen, zodat we de lichtsnelheid kunnen omzetten in een waarde die we ons kunnen voorstellen. Stel dat de Zon een gewone voetbal zou zijn met een diameter van zo’n tweeëntwintig centimeter, in het centrum van Amsterdam. Op deze schaal is de aarde een zandkorrel van ongeveer twee millimeter groot, die in een baan om de voetbal-Zon draait op een afstand van drieëntwintig meter.
De sterren die het dichtst bij de Zon staan, zijn Alpha Centauri A, B en Proxima Centauri. Het duurt ongeveer vier jaar en drie maanden voordat hun licht ons bereikt. Als we de Zon vergelijken met een voetbal in Amsterdam, zouden deze drie zuster sterren neerkomen op twee voetballen van vergelijkbare grootte en één golfbal, min of meer in Detroit of Delhi. In ons voetbaluniversum zou de lichtsnelheid dan neerkomen op circa vier kilometer per dag. Een lichtjaar, de afstand die licht in een jaar aflegt, zou de afstand tussen Amsterdam en Madrid zijn. Die afstand zou je in minder dan een jaar kunnen lopen. Deze vergelijking relativeert de lichtsnelheid en illustreert tegelijkertijd hoe ver we verwijderd zijn van welke plek dan ook in de ruimte.
De makers van Star Trek bedachten een ingenieuze manier om sneller dan het licht te reizen. Fans van deze franchise weten dat warp one lichtsnelheid betekent, en ergens in de serie werd oneindige snelheid vastgesteld op warp ten, waarbij je overal in het universum tegelijk zou zijn. In het universum van Einstein kan materie echter warp één niet overschrijden. Dit brengt ons bij de vraag waarom er überhaupt een snelheidslimiet zou zijn.
De reden hiervoor, volgens Einsteins theorie, is dat er niet zoiets bestaat als een maximumsnelheid. In feite is de lichtsnelheid geen maximumsnelheid, maar de enige snelheid. Veel mensen realiseren zich niet dat in de algemene relativiteitstheorie alle materie zich met één en dezelfde constante snelheid door de ruimtetijd voortbeweegt. Waarom materie dit zou doen, is niet bekend; voorlopig moeten we aannemen dat het universum nu eenmaal zo in elkaar zit. Snelheid heeft een ruimtelijke component en een tijdscomponent, net zoals je je snelheid in een auto zou kunnen analyseren in termen van snelheid in noord-zuidrichting en snelheid in oost-westrichting. De gecombineerde totale snelheid in de ruimte en de snelheid in de tijd heeft volgens Einstein altijd dezelfde grootte. Als je stil zou staan in de tijd, zou je snelheid in de ruimte die ene constante snelheid zijn. Als je stil zou staan in de ruimte, zou je snelheid in de tijd die ene constante snelheid zijn.
Fotonen, de deeltjes waaruit licht bestaat, bewegen zich met een snelheid van nul door de tijd. Het is evident dat een foton een bepaalde tijd bestaat, maar het zou de ontwikkeling van het universum tijdens zijn levensduur samengevat zien in één enkel ogenblik. Hoe dan ook, hun snelheid in de ruimte moet de maximaal haalbare snelheid zijn, die we begrijpelijk lichtsnelheid zijn gaan noemen. Wijzelf bewegen ons relatief langzaam door de ruimte, en bijgevolg moeten we ons met bijna warp one door de tijd voortbewegen. Denk hier eens even rustig over na; dit is zo ongeveer het coolste wat de natuurkunde te bieden heeft.
Afbeelding bij deze post: De Zon, gefotografeerd door NASA's Solar Dynamics Observatory (bron: NASA).
