"Als senior vriend moet ik u van deze activiteit afhouden, omdat u ten eerste niet zult slagen in deze activiteit, en zelfs als u slaagt, zal niemand u toch geloven."
Van de brief van Max Planck aan Albert Einstein over de poging van Einstein om de tegenstelling tussen de speciale relativiteitstheorie en de zwaartekracht van Newton op te lossen
Sinds de oudheid is de mensheid altijd gefascineerd geweest door de concepten ruimte (hemel) en tijd (begin, verandering en einde). Vroege denkers, te beginnen met Gautama Boeddha, Lao Tzu en Aristoteles, gingen actief in op deze concepten. Door de eeuwen heen heeft de inhoud van de redenering van deze denkers in het menselijk bewustzijn die mentale beelden uitgekristalliseerd die we nu in ons dagelijks leven gebruiken. We beschouwen de ruimte als een driedimensionaal continuüm dat ons omhult. We stellen tijd voor als de duur van elk proces, niet beïnvloed door de krachten die in het fysieke universum werken. En samen vormen ze het toneel waarop het hele drama van interacties zich ontwikkelt, waarvan de acteurs al het andere zijn - sterren en planeten, velden en materie, jij en ik.
Al meer dan duizend jaar vormen vier natuurkundige boeken die door Aristoteles zijn geschreven, de basis voor de natuurwetenschappen. Terwijl Heraclitus geloofde dat het universum zich in een eindeloze ontwikkeling bevindt en dat alle processen erin nooit begonnen en nooit zullen eindigen, leerde Parmenides dat het concept van beweging zelf onverenigbaar is met wie de Ene, Continu en Eeuwig is. Aristoteles nam beide ideeën op in zijn kosmogonische systeem. Alle veranderingen hielden nu verband met de aarde en de maan, aangezien deze veranderingen duidelijk waren. Onveranderlijkheid werd overgebracht naar andere planeten, de zon en de sterren, omdat ze mooi, onveranderlijk en eeuwig waren. In moderne taal gesproken, kan worden gesteld dat Aristoteles met absolute tijd werkte, ruimte met een absolute structuur, en dit alles werd geleverd door de veranderende aarde. Deze concepten liggen ten grondslag aan de toenmalige waarneming en beschrijving van de wereld, die Isaac Newton in 1661-1665 bestudeerde als student aan Cambridge.
Twintig jaar later wierp Newton deze eeuwenoude dogma's omver. Door zijn visie op de wereld om ons heen in 1686 te publiceren, verschafte hij een nieuw begrip van het universum om ons heen. Volgens zijn principes bleek tijd een vensterbank te zijn, gesubstitueerd onder het dimensionale continuüm. Het was nog steeds absoluut en hetzelfde voor alle waarnemers. Alle gelijktijdige gebeurtenissen vormden een driedimensionaal ruimtelijk continuüm. Zo verdween de absolute structuur van de ruimte in zijn redenering. Dankzij de lessen van Copernicus werd de aarde verwijderd uit haar bevoorrechte positie in het universum. De Galilese relativiteitstheorie plaatste alle traagheidswaarnemers met wiskundige precisie op één fysiek platform. Newtoniaanse principes vernietigden de aristotelische orthodoxie door het onderscheid tussen hemel en aarde op te heffen. De hemel was niet meer hetzelfde. Voor het eerst in de natuurkunde ontstonden universele principes. De appel die op de aarde viel en de planeten die in hun banen rond de zon bewegen, waren nu onderworpen aan dezelfde wetten. De hemel was niet langer zo mysterieus als wel onderhevig aan het bewustzijn van de menselijke geest. Reeds in het begin van de 18e eeuw, tijdens de hoorzittingen van de Royal Society of Great Britain, verschenen werken die niet alleen de beweging van Jupiter voorspelden, maar ook de beweging van zijn manen! Het is niet verwonderlijk dat de houding ten opzichte van Newton destijds niet alleen van scepsis was vervuld, maar ook van angst, en niet alleen van de kant van niet-professionals, maar ook van de kant van de leidende Europese intelligentsia. Bijvoorbeeld, de markies de L'Hôpital, bekend bij moderne studenten vanwege zijn regel voor het berekenen van limieten,schreef vanuit Frankrijk aan John Arbuthnot in Engeland over Newton en zijn principes als volgt:
- Mijn God! Welke grondslagen van kennis komen ons in dat boek voor? Eet en drinkt hij en slaapt hij? Zijn andere mannen zoals hij?
Zoals Richard Westfold het verwoordde in zijn zeer gerespecteerde Newtons Never Alone-biografie:
- Tot 1687 was Newton nauwelijks een beroemd persoon in filosofische kringen. Niets bereidde de wereld van de natuurfilosofie echter voor op de opkomst van haar principes. Principes die een keerpunt werden voor Newton zelf, die na twintig jaar onderzoek uiteindelijk van prestatie naar prestatie volgde. Principes die een keerpunt werden voor de natuurfilosofie.
Promotie video:
Newtoniaanse principes werden de nieuwe orthodoxie en regeerden meer dan 150 jaar lang. De eerste uitdaging voor Newtons begrip van de wereld werd op een volledig onverwacht gebied van de fysica geworpen en hield verband met de ontwikkeling van begrip van elektromagnetische verschijnselen. In het midden van de 19e eeuw bereikte de Schotse natuurkundige James Clark Maxwell een verbazingwekkende synthese van alle verzamelde kennis op dit gebied door zijn vier beroemde vectorvergelijkingen op te schrijven. Deze vergelijkingen verschaften verder inzicht in de speciale betekenis van de lichtsnelheid. Maar op dat moment was het onmogelijk te begrijpen. De absolute snelheid van overdracht van interactie was duidelijk in tegenspraak met het relativiteitsbeginsel van Galileo, dat de hoeksteen was van Newtons model van ruimte-tijd. Tegen die tijd geloofden de meeste natuurkundigen onvoorwaardelijk in de waarheid van de Newtoniaanse wereld en kwamen daarom tot de conclusie dat de vergelijkingen van Maxwell alleen kunnen worden vervuld in een bepaalde omgeving die ether wordt genoemd. Maar door zulke uitspraken te doen, keerden ze onvrijwillig terug naar Aristoteles, die beweerde dat de absolute structuur van de ruimte inherent is aan de natuur. En in deze toestand duurde dit probleem ongeveer 50 jaar.
En nu publiceert de 26-jarige Albert Einstein zijn beroemde werk "Over de elektrodynamica van bewegende media." In dit werk accepteerde Einstein de waarheid van de waarde van de constanten in Maxwell's vergelijkingen en toonde hij met behulp van eenvoudige gedachte-experimenten duidelijk aan dat de lichtsnelheid een universele constante is die geldig blijft voor alle traagheidswaarnemers. Hij toonde aan dat het concept van absolute fysieke gelijktijdigheid onhoudbaar is. Ruimtelijk gescheiden gebeurtenissen die voor de ene waarnemer gelijktijdig lijken te zijn, zijn dat niet voor een andere waarnemer die met een constante snelheid ten opzichte van de eerste beweegt.
Het werd duidelijk dat het Newtoniaanse model van ruimte-tijd slechts een benadering kan zijn, geldig in het geval dat de beschouwde snelheden veel lager zijn dan de lichtsnelheid. Er is een nieuw model van ruimte-tijd ontstaan, inclusief een nieuw relativiteitsbeginsel, de speciale relativiteitstheorie. Deze theorie had in zijn tijd een revolutionaire betekenis. Volgens haar heeft de tijd zijn absolute positie in de natuurkunde verloren. Het vierdimensionale ruimte-tijd continuüm is absoluut geworden. Afstanden in vierdimensionale ruimte-tijd tussen gebeurtenissen zijn goed gedefinieerd, maar alleen tijdelijke of alleen ruimtelijke intervallen tussen gebeurtenissen begonnen af te hangen van de keuze van een referentiekader, dat wil zeggen van de bewegingssnelheid van de ene waarnemer ten opzichte van de andere. De nieuwe theorie gaf ongebruikelijke, spectaculaire voorspellingen,die op dat moment moeilijk waar te nemen waren. Energie en massa verloren hun uniciteit en konden in elkaar worden omgezet, volgens de bekende formule E = mc2. Opgemerkt moet worden dat deze relatie voor het eerst verscheen in 1895 in het werk van Henri Poincaré "On the Measurement of Time", gepubliceerd in het Parijse filosofische tijdschrift en daarom niet de aandacht trok van natuurkundigen, maar zijn huidige betekenis kreeg na het werk van Einstein. Stel je voor dat de energie in een gram materie een hele stad een jaar lang kan verlichten. Een tweeling, die zijn zus op aarde achterliet en in een ruimteschip bewoog met een snelheid die dicht bij de snelheid van het licht lag, zou terugkeren en ontdekken dat zijn zus in vergelijking daarmee tientallen jaren ouder was geworden. Deze voorspellingen waren zo onverwacht dat veel wetenschappers van vooraanstaande universiteiten beweerdendat de gegeven theorie niet levensvatbaar kan zijn. Ze hadden het echter allemaal mis. Kernreactoren werken op aarde en sterren schijnen in de lucht, waarbij ze massa omzetten in energie, precies volgens de formule E = mc2. In hoogenergetische laboratoria leven onstabiele deeltjes die versneld worden tot bijna-lichtsnelheden tientallen en honderden keren langer dan hun tegenhangers die op aarde rusten.
Ondanks alle revolutionaire aard van SRT, bleef één aspect van ruimte-tijd echter aristotelisch. Het bleef een passieve arena voor alle evenementen, een canvas waarop de drijvende krachten van het heelal hun beeld schetsen. In het midden van de 19e eeuw kwamen wiskundigen erachter dat de geometrie van Euclides, die we allemaal op school hebben bestudeerd, een van de mogelijke geometrieën is. Dit leidde tot het idee dat het duidelijkst werd verwoord door Richard Riemann in 1854. Hij zei dat de geometrie van de fysieke ruimte misschien niet voldoet aan de axioma's van Euclides, maar wel krom kan zijn vanwege de aanwezigheid van materie in het heelal. In zijn ideeën hield de ruimte op passief te zijn en veranderde deze door materie. Het duurde nog 61 jaar voordat er veel vraag naar dit idee was.
Zo'n geweldige gebeurtenis was de publicatie door Einstein in 1915 van zijn General Theory of Relativity. In deze theorie nam de ruimtetijd de vorm aan van een vierdimensionaal continuüm. De geometrie van dit continuüm is gekromd en de mate van kromming simuleert de zwaartekrachtvelden in het continuüm zelf. Ruimte-tijd is niet langer inert. Het werkt in op materie en materie werkt erop in. Zoals de beroemde Amerikaanse natuurkundige John Wheeler zei:
- Materie vertelt ruimte-tijd hoe te buigen en ruimte-tijd vertelt materie hoe te bewegen.
Er zijn geen toeschouwers meer in de kosmische dans, geen achtergrond waartegen alle gebeurtenissen zich afspelen. De scène zelf sloot zich aan bij de cast. Dit is een ingrijpende verandering in het wereldbeeld. Aangezien alle fysieke systemen zich in de ruimte-tijd bevinden, heeft een dergelijke verandering in zienswijze alle fundamenten van de natuurlijke filosofie door elkaar geschud. Het duurde vele decennia voordat natuurkundigen de talrijke toepassingen van deze theorie onder ogen kwamen en filosofen kwamen tot het reine met een nieuw begrip van de wereld dat voortkwam uit de algemene relativiteitstheorie.
2. Zwaartekracht is geometrie
'Het is alsof de muur die ons van de waarheid scheidt, is ingestort. Bredere ruimtes en bodemloze diepten werden voor het oog geopend op zoek naar kennis, gebieden van het bestaan waarvan we geen idee hadden"
Hermann Weil "Algemene relativiteitstheorie"
Aangenomen kan worden dat Einstein bij het schrijven van zijn werk blijkbaar werd geïnspireerd door twee vrij eenvoudige feiten. Ten eerste, de universaliteit van de zwaartekracht, die door Galileo werd aangetoond in zijn beroemde experimenten op de scheve toren van Pisa. De zwaartekracht is universeel, aangezien alle lichamen van de toren gelijk vielen als er alleen zwaartekracht op inwerkte. Ten tweede manifesteert de zwaartekracht zich altijd als aantrekkingskracht. Deze eigenschap ervan onderscheidt het bijvoorbeeld sterk van de elektrostatische kracht, die door dezelfde wet in vorm wordt beschreven als de wet van universele zwaartekracht en zich manifesteert afhankelijk van het soort op elkaar inwerkende ladingen en als aantrekking en afstoting. Dientengevolge, terwijl de elektrostatische kracht kan worden afgeschermd en het gemakkelijk genoeg is om gebieden te creëren waarin het niet zal werken,zwaartekracht kan in principe niet worden gescreend. De zwaartekracht is dus alomtegenwoordig en werkt op alle lichamen op dezelfde manier in. Deze twee feiten spreken van een sterk verschil tussen zwaartekracht en andere fundamentele interacties en suggereren dat zwaartekracht een manifestatie is van iets dieper en universeler. Omdat ruimtetijd net zo alomtegenwoordig en universeel is, suggereerde Einstein dat zwaartekracht zich niet manifesteert als een kracht, maar als een kromming van de geometrie van de ruimtetijd. Ruimte-tijd in de algemene relativiteitstheorie is kneedbaar en kan worden gemodelleerd door een tweedimensionaal rubberen vel dat wordt gebogen door massieve lichamen. De zon, die zwaar is, buigt bijvoorbeeld de ruimte-tijd sterk. De planeten, evenals alle lichamen die op de aarde vallen, bewegen langs "rechte" banen, maar alleen in een kromme-geometrie. In precieze wiskundige zin volgen ze de kortste paden die geodetische lijnen worden genoemd - dit zijn generalisaties van rechte lijnen van de vlakke geometrie van Euclides naar de gebogen geometrie van Riemann. Dus als we bijvoorbeeld een gekromde ruimte-tijd beschouwen, zal de aarde in zo'n ruimte het optimale traject kiezen, dat een volledig analoog is van een rechte lijn. Maar aangezien ruimte-tijd gekromd is, zal dit traject in de projectie op de vlakke ruimte van Euclides en Newton elliptisch zijn.aangezien ruimte-tijd gekromd is, zal dit traject elliptisch zijn in de projectie op de vlakke ruimte van Euclides en Newton.aangezien ruimte-tijd gekromd is, zal dit traject elliptisch zijn in de projectie op de vlakke ruimte van Euclides en Newton.
De aantrekkingskracht van de algemene relativiteitstheorie ligt in het feit dat het, met behulp van elegante wiskunde, deze conceptueel eenvoudige ideeën in concrete vergelijkingen heeft omgezet en deze vergelijkingen gebruikt om verbazingwekkende voorspellingen te doen over de aard van de fysieke werkelijkheid. Ze voorspelt dat de klok in Kathmandu sneller moet lopen dan in Jalta. Galactische kernen zouden moeten werken als gigantische zwaartekrachtlenzen en ons spectaculaire, meervoudige beelden van verre quasars moeten laten zien. Twee neutronensterren die rond een gemeenschappelijk centrum draaien, moeten energie verliezen als gevolg van rimpelingen in gekromde ruimte-tijd veroorzaakt door hun spiraalbeweging, convergeren naar een enkel centrum, gevolgd door hun botsing. De afgelopen jaren zijn er veel experimenten gedaan om deze en nog meer exotische voorspellingen te testen. En elke keer had de algemene relativiteitstheorie de overhand. De nauwkeurigheid van sommige experimenten overtrof de nauwkeurigheid van de legendarische experimenten met de detectie van een kwantum van het elektromagnetische veld. Deze combinatie van conceptuele diepgang, wiskundige elegantie en waarnemingssucces is ongekend. Dit is de reden waarom de algemene relativiteitstheorie enerzijds wordt beschouwd als een van de meest verheven natuurkundige theorieën en anderzijds aanzienlijke belangstelling wekt, als voorwerp van uiteenlopende en niet altijd professionele kritiek.waarom de algemene relativiteitstheorie enerzijds wordt beschouwd als een van de meest verheven fysische theorieën en anderzijds veel belangstelling wekt, als een voorwerp van allerlei aard en niet altijd als professionele kritiek.waarom de algemene relativiteitstheorie enerzijds wordt beschouwd als een van de meest verheven fysische theorieën en anderzijds veel belangstelling wekt, als een voorwerp van allerlei aard en niet altijd als professionele kritiek.
3. Oerknal en zwarte gaten
“Natuurkundigen hebben het goed gedaan, maar ze hebben de beperkingen van intuïtie laten zien, zonder de hulp van wiskunde. Ze ontdekten dat het heel moeilijk is om de natuur te begrijpen. Wetenschappelijke vooruitgang moest worden betaald met een denigrerende erkenning dat de werkelijkheid zo was geconstrueerd dat deze niet gemakkelijk zou worden vastgelegd door de menselijke waarneming"
Edward O. Wilson “Toeval. De eenheid van kennis"
De komst van de algemene relativiteitstheorie luidde het tijdperk van de moderne kosmologie in. Op zeer grote schaal lijkt het universum om ons heen homogeen en isotroop. Deze visie is de grootste realisatie van het Copernicaanse principe: in ons universum zijn er geen gekozen punten, geen gekozen richting. In 1922 toonde de Russische wiskundige Alexander Fridman met behulp van de vergelijkingen van Einstein aan dat zo'n universum niet statisch kan zijn. Het moet uitzetten of instorten. In 1929 ontdekte de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble dat het universum inderdaad aan het uitbreiden was. Dit feit impliceert op zijn beurt dat dit proces zijn begin moet hebben, waarbij de dichtheid van de zwaartekracht en bijgevolg de kromming van de ruimte-tijd oneindig groot moet zijn. Het concept van de oerknal ontstond. Zorgvuldige observatie,vooral de afgelopen 20 jaar hebben aangetoond dat deze gebeurtenis waarschijnlijk 14 miljard jaar geleden plaatsvond. Sindsdien bewegen sterrenstelsels zich uit elkaar en is de gemiddelde zwaartekracht gestaag gedaald. Door onze kennis van de algemene relativiteitstheorie te combineren met laboratoriumfysica, kunnen we veel gedetailleerde voorspellingen doen. We kunnen bijvoorbeeld de relatieve hoeveelheid lichtelementen berekenen, waarvan de kernen zich in de eerste drie minuten na de explosie hebben gevormd (zie bijvoorbeeld hier). We kunnen het bestaan en de eigenschappen van de primaire straling (relict-microgolfachtergrond) voorspellen die werd uitgezonden toen het universum ongeveer 400.000 jaar oud was. En we kunnen zeggen dat de eerste sterrenstelsels werden gevormd toen het universum een miljard jaar oud was. Een verbazingwekkende reeks tijden en een verscheidenheid aan verschijnselen!vond 14 miljard jaar geleden plaats. Sindsdien bewegen sterrenstelsels zich uit elkaar en is de gemiddelde zwaartekracht gestaag gedaald. Door onze kennis van de algemene relativiteitstheorie te combineren met laboratoriumfysica, kunnen we veel gedetailleerde voorspellingen doen. We kunnen bijvoorbeeld de relatieve hoeveelheid lichtelementen berekenen, waarvan de kernen zich in de eerste drie minuten na de explosie hebben gevormd (zie bijvoorbeeld hier). We kunnen het bestaan en de eigenschappen van de primaire straling (relict-microgolfachtergrond) voorspellen die werd uitgezonden toen het universum ongeveer 400.000 jaar oud was. En we kunnen zeggen dat de eerste sterrenstelsels werden gevormd toen het universum een miljard jaar oud was. Een verbazingwekkende reeks tijden en een verscheidenheid aan verschijnselen!vond 14 miljard jaar geleden plaats. Sindsdien bewegen sterrenstelsels zich uit elkaar en is de gemiddelde zwaartekracht gestaag gedaald. Door onze kennis van de algemene relativiteitstheorie te combineren met laboratoriumfysica, kunnen we veel gedetailleerde voorspellingen doen. We kunnen bijvoorbeeld de relatieve hoeveelheid lichtelementen berekenen waarvan de kernen zijn gevormd in de eerste drie minuten na de explosie (zie bijvoorbeeld hier). We kunnen het bestaan en de eigenschappen van de primaire straling (relict-microgolfachtergrond) voorspellen die werd uitgezonden toen het universum ongeveer 400.000 jaar oud was. En we kunnen zeggen dat de eerste sterrenstelsels werden gevormd toen het universum een miljard jaar oud was. Een verbazingwekkende reeks tijden en verschillende verschijnselen!Door onze kennis van de algemene relativiteitstheorie te combineren met laboratoriumfysica, kunnen we veel gedetailleerde voorspellingen doen. We kunnen bijvoorbeeld de relatieve hoeveelheid lichtelementen berekenen waarvan de kernen zijn gevormd in de eerste drie minuten na de explosie (zie bijvoorbeeld hier). We kunnen het bestaan en de eigenschappen van de primaire straling (relict-microgolfachtergrond) voorspellen die werd uitgezonden toen het universum ongeveer 400.000 jaar oud was. En we kunnen zeggen dat de eerste sterrenstelsels werden gevormd toen het universum een miljard jaar oud was. Een verbazingwekkende reeks tijden en een verscheidenheid aan verschijnselen!Door onze kennis van de algemene relativiteitstheorie te combineren met laboratoriumfysica, kunnen we veel gedetailleerde voorspellingen doen. We kunnen bijvoorbeeld de relatieve hoeveelheid lichtelementen berekenen, waarvan de kernen gevormd zijn in de eerste drie minuten na de explosie (zie bijvoorbeeld hier). We kunnen het bestaan en de eigenschappen van de primaire straling (relict-microgolfachtergrond) voorspellen die werd uitgezonden toen het universum ongeveer 400.000 jaar oud was. En we kunnen zeggen dat de eerste sterrenstelsels werden gevormd toen het universum een miljard jaar oud was. Een verbazingwekkende reeks tijden en een verscheidenheid aan verschijnselen!bijvoorbeeld hier). We kunnen het bestaan en de eigenschappen van de primaire straling (relict-microgolfachtergrond) voorspellen die werd uitgezonden toen het universum ongeveer 400.000 jaar oud was. En we kunnen zeggen dat de eerste sterrenstelsels werden gevormd toen het universum een miljard jaar oud was. Een verbazingwekkende reeks tijden en een verscheidenheid aan verschijnselen!bijvoorbeeld hier). We kunnen het bestaan en de eigenschappen van de primaire straling (relict-microgolfachtergrond) voorspellen die werd uitgezonden toen het universum ongeveer 400.000 jaar oud was. En we kunnen zeggen dat de eerste sterrenstelsels werden gevormd toen het universum een miljard jaar oud was. Een verbazingwekkende reeks tijden en een verscheidenheid aan verschijnselen!
Bovendien veranderde de algemene relativiteitstheorie de filosofische benadering van de kwestie van het begin. Tot 1915 kon over dit onderwerp worden gedebatteerd toen Emmanuel Kant betoogde dat het universum misschien geen eindig begin had gehad. Dan zou de vraag gesteld kunnen worden: wat was er eerder? Maar deze vraag gaat er impliciet van uit dat ruimte en tijd altijd hebben bestaan, en dat het heelal is ontstaan met materie. In de algemene relativiteitstheorie heeft het geen zin om een dergelijke vraag te stellen, aangezien ruimte-tijd samen met materie wordt geboren in de oerknal. De vraag "Wat was er eerder?" betekent niets meer. In zekere zin is de oerknal de grens waar ruimte-tijd eindigt, waar het ruimte-tijd continuüm zelf breekt. De algemene relativiteitstheorie ten tijde van de oerknal stelde een natuurlijke grens voor de natuurkunde waardoor verder kijken niet mogelijk was.
Als het om zwarte gaten gaat, ontdekte de algemene relativiteitstheorie ook andere onvoorziene gebeurtenissen. De eerste oplossing voor de Einstein-vergelijking die een zwart gat beschrijft, werd al in 1916 verkregen door de Duitse astrofysicus Karl Schwarzschild, die vocht in het Duitse leger aan de fronten van de Eerste Wereldoorlog. Het kostte echter veel tijd om de fysieke betekenis van deze beslissing te begrijpen. De meest natuurlijke manier waarop zwarte gaten ontstaan, is de dood van sterren. Tijdens het gloeien van een ster die nucleaire brandstof verbrandt, kan naar buiten gerichte radiale druk de zwaartekracht compenseren. Maar nadat alle brandstof is verbrand, is de enige kracht die kan concurreren met zwaartekracht de afstotende kracht die wordt gegenereerd door Pauli's kwantummechanische uitsluitingsprincipe. Tijdens zijn beroemde reis naar Cambridge,De twintigjarige Subrahmanyan Chandrasekhar combineerde de principes van de speciale relativiteitstheorie en de kwantummechanica om aan te tonen dat als een ster massief genoeg is, de zwaartekracht de afstotende krachten kan overwinnen die worden gegenereerd door het uitsluitingsprincipe van Pauli. Als gevolg hiervan voltooit de ster zijn evolutie als een zwart gat. In de jaren dertig verbeterde en verbeterde hij zijn berekeningen en leverde hij onweerlegbare argumenten voor een dergelijk stercrashscenario. De vooraanstaande Britse astrofysicus van die tijd, Arthur Eddington, accepteerde het idee van een dergelijk scenario echter niet en stelde dat met 'juiste' berekeningen de speciale relativiteitstheorie gewoon niet van toepassing is. Tegenwoordig zou zelfs een student het examen niet halen als hij zou proberen een dergelijke redenering in zijn redenering te geven. De vooraanstaande kwantumfysici van die tijd, Borovskaya en Dirac, waren het meteen eens met de resultaten van Chandrasekhar, maar deden dat in persoonlijke brieven, zonder erover na te denken om in het openbaar op Eddingtons fouten te wijzen. Dit werd pas in 1983 gecorrigeerd toen Chandrasekhar de Nobelprijs ontving. Als gevolg hiervan heeft dit misverstand tientallen jaren lang niet alleen de erkenning van het werk van Chandrasekhar, maar ook de perceptie van zwarte gaten als echte objecten vertraagd.als echte objecten.als echte objecten.
Vreemd genoeg nam zelfs Einstein zelf geen zwarte gaten waar. Al in 1939 publiceerde hij een artikel in de Annals of Mathematics, waarin hij betoogde dat zwarte gaten niet gevormd kunnen worden door het instorten van sterren. Hij voerde aan dat de berekeningen correct waren, maar de conclusie was het resultaat van een onrealistische aanname. Slechts een paar maanden later publiceerden de Amerikaanse natuurkundigen Robert Oppenheimer en Hartland Snyder hun nu klassieke werk, waarmee ze onweerlegbaar bewezen dat massieve sterren hun evolutie voltooien met de vorming van een zwart gat. Het is aangetoond dat een zwart gat een gebied is waarin de kromming van ruimte-tijd zo sterk is dat zelfs licht het niet kan verlaten. Daarom lijken deze gebieden volgens de algemene relativiteitstheorie pikzwart voor externe waarnemers. Als we kijken naar de analogie van een tweedimensionaal rubberen oppervlak, blijkt dat de afbuiging van ruimte-tijd in een zwart gat zo groot is dat het daadwerkelijk breekt en een singulariteit vormt. Net als bij de oerknal wordt de kromming oneindig. Ruimte-tijd vormt de waarnemingshorizon en de natuurkunde stopt gewoon bij deze horizon.
En toch zijn zwarte gaten blijkbaar gewone objecten in het universum. Algemene relativiteitstheorie, gecombineerd met onze kennis van het proces van stellaire evolutie, voorspelt dat het heelal een enorm aantal zwarte gaten zou moeten hebben met massa's in de orde van 10-50 zonsmassa's, die het product zijn van de vitale activiteit van zware sterren. Zwarte gaten zijn inderdaad prominente spelers in de moderne astronomie en astrofysica. Het zijn krachtige bronnen van enkele van de meest energetische verschijnselen in het universum, zoals de beroemde gammastraling die wordt uitgezonden door een enorm zwart gat. Deze straal draagt de energie die 1000 zonnen gedurende hun hele leven uitzenden. Een zwart gat ontstaat als gevolg van een supernova-explosie die het leven van een zware ster voltooit. En zo'n explosie wordt elke dag geregistreerd. De centra van alle elliptische sterrenstelsels lijken te zijnbevatten superzware zwarte gaten met massa's in de orde van miljoenen zonsmassa's. Ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, heeft in het midden een zwart gat met een massa van 3,2 miljoen zonsmassa's.
4. Naar Einstein
“Inderdaad, nieuwe gebieden van onze ervaring zullen altijd leiden tot de kristallisatie van een nieuw systeem van wetenschappelijke kennis en wetten. Geconfronteerd met nieuwe en buitengewone intellectuele uitdagingen, volgen we voortdurend het voorbeeld van Columbus, die de moed had om de bekende wereld te verlaten in de bijna krankzinnige hoop land aan de andere kant van de zee te ontdekken."
V. Geisenberg "Recente veranderingen in de exacte wetenschappen"
Algemene relativiteitstheorie is de beste theorie van zwaartekracht en ruimte-tijdstructuur die we vandaag hebben. Het kan een indrukwekkend scala aan verschijnselen beschrijven, variërend van de grote kosmische expansie tot het functioneren van een wereldwijd positioneringssysteem op aarde. Maar deze theorie is onvolledig omdat ze de kwantumeffecten negeert die de subatomaire wereld beheersen. Bovendien zijn deze twee theorieën fundamenteel verschillend. De wereld van de algemene relativiteitstheorie bezit geometrische nauwkeurigheid, het is deterministisch. In tegenstelling tot deze wereld is de wereld van de kwantummechanica aan twijfel onderhevig, ze is probabilistisch. Natuurkundigen handhaven deze gelukkige, bijna schizofrene toestand door de algemene relativiteitstheorie te gebruiken om grootschalige verschijnselen in de astronomie en kosmologie te beschrijven.en kwantumtheorie voor het beschrijven van de eigenschappen van atomen en elementaire deeltjes. Merk op dat dit een redelijk haalbare strategie is, aangezien deze twee werelden zeer zeldzaam zijn. Maar niettemin is deze strategie conceptueel gezien zeer onbevredigend. Alles in onze fysieke ervaring vertelt ons dat er een grotere, completere theorie moet zijn, waaruit zowel de algemene relativiteitstheorie als de kwantumtheorie moeten voortkomen als speciale, beperkte gevallen. In plaats van zo'n theorie beweert de kwantumtheorie van de zwaartekracht. Dit is een urgent probleem, absoluut logischerwijs volgend op het werk van Einstein. In tegenstelling tot het algemeen aanvaarde standpunt dat werd gevormd als resultaat van Einsteins latere opmerkingen over de onvolledigheid van de kwantummechanica, was hij zich duidelijk bewust van deze beperking van de algemene relativiteitstheorie. Geweldig,maar Einstein wees al in 1916 op de noodzaak om een kwantumtheorie van zwaartekracht te creëren! In een artikel gepubliceerd in de Preussische Akademie Sitzungsberichte schreef hij:
- Vanwege de intra-atomaire beweging van elektronen moesten de atomen echter niet alleen elektromagnetische, maar ook gravitatie-energie uitzenden, maar alleen in kleine hoeveelheden. Aangezien alles in de natuur één is, lijkt het erop dat de kwantumtheorie niet alleen de elektrodynamica van Maxwell zou moeten veranderen, maar ook de nieuwe gravitatietheorie.
In de oerknal en in de singulariteit van het zwarte gat komen de zeer grote en zeer kleine werelden samen. Daarom, hoewel deze bijeenkomst op dit moment een geheim voor ons is, verzegeld met zeven zegels, is het dat de poort waardoor we verder kunnen gaan dan de Algemene Relativiteitstheorie. Momenteel wordt aangenomen dat echte fysica niet kan stoppen bij de drempel van de waarnemingshorizon. Hoogstwaarschijnlijk faalt de algemene relativiteitstheorie daar. Het is duidelijk dat de theoretische fysica ons begrip van ruimte-tijd opnieuw moet herzien. We hebben een nieuwe taal nodig die voorbij deze poorten van het onbekende kan turen.
De creatie van deze taal wordt beschouwd als de meest serieuze en belangrijkste uitdaging waarmee de fundamentele fysica tegenwoordig wordt geconfronteerd. Er zijn tegenwoordig verschillende benaderingen in deze richting. Een daarvan is gerelateerd aan de snaartheorie, maar we zullen ons concentreren op het concept van lusquantumzwaartekracht. Dit is een benadering voor het bouwen van een kwantumtheorie die meer dan 20 jaar geleden naar voren kwam in het werk van de Indiase natuurkundige Abhay Ashtekar en waarvan momenteel wordt aangenomen dat het een alternatief is voor de stringbenadering bij het oplossen van dit probleem.
In de algemene relativiteitstheorie is ruimte-tijd een continuüm. Het basisidee achter de zwaartekracht van de kwantumlus is de bewering dat dit continuüm slechts een benadering is die wordt verbroken op de zogenaamde Planck-afstanden. De Planck-lengte is een unieke grootheid die kan worden geconstrueerd uit de gravitatieconstante, de constante van Planck in de kwantumfysica en de lichtsnelheid. Deze lengte is 3,10-33 cm, dat is 20 ordes van grootte kleiner dan de straal van het proton. Daarom kun je zelfs op de krachtigste deeltjesversnellers op aarde veilig werken met het ruimte-tijd continuüm. Maar deze situatie verandert dramatisch, met name nabij de oerknal en in zwarte gaten. In dergelijke gevallen moet je een gekwantiseerde ruimte-tijd gebruiken, waarvan het kwantum het lusquantum van de zwaartekracht is.
Laten we proberen te begrijpen wat het kwantum van ruimte-tijd is. Laten we naar het vel papier dat voor ons ligt. Voor ons lijkt het een solide tweedimensionaal continuüm. Maar we weten ook dat het uit atomen bestaat. Dit vel heeft een discrete structuur die slechts een verklaring wordt als we er niet naar kijken, bijvoorbeeld met een elektronenmicroscoop. Nu verder. Einstein voerde aan dat de geometrie van ruimtetijd niet minder fysiek is dan materie. En daarom moet het ook een "atomaire" structuur hebben. Deze aanname maakte het halverwege de jaren 90 mogelijk om de principes van de Algemene Relativiteitstheorie te combineren met de kwantumfysica en zo kwantumgeometrie te creëren. Net zoals continue meetkunde de wiskundige taal biedt voor het formuleren van de algemene relativiteitstheorie,dus kwantumgeometrie biedt een wiskundig hulpmiddel en genereert nieuwe fysische concepten voor het beschrijven van kwantumkosmische tijden.
In de kwantumgeometrie zijn fundamentele, in een ring gesloten geometrische excitaties, die eendimensionaal zijn, primair. Gewone stof lijkt een glad tweedimensionaal continuüm te zijn, maar is gebaseerd op eendimensionale draden. Een soortgelijke aanname kan worden gedaan met betrekking tot een hoger dimensionaal continuüm. Op een puur intuïtief niveau kan men fundamentele geometrische excitaties zien als kwantumdraden die kunnen worden geweven om het weefsel van ruimtetijd te creëren. Wat gebeurt er als we in de buurt van de ruimte-tijd-singulariteit zijn. Het is duidelijk dat op dit gebied het concept van het ruimte-tijd continuüm eenvoudigweg niet van toepassing is. Kwantumfluctuaties in dit gebied zijn zo groot dat kwantumdraden eenvoudigweg niet kunnen worden 'bevroren' in het ruimte-tijd continuüm. Het weefsel van ruimte-tijd is gescheurd. De fysica van het ruimte-tijd continuüm is "gefixeerd" op de overblijfselen van het ruimte-tijd weefsel. Tegelijkertijd wordt duidelijk dat de draden zelf, die de basis vormen van het weefsel van het universum, een speciale betekenis krijgen. Met behulp van de kwantumvergelijking van Einstein kan men nog steeds natuurkunde bestuderen, de processen beschrijven die plaatsvinden in de kwantumwereld. Maar er is hier een belangrijk punt. Het punt is dat bij afwezigheid van een ruimte-tijd continuüm veel van de concepten die in de natuurkunde vaak worden gebruikt, simpelweg onjuist worden. Het is noodzakelijk om nieuwe concepten in overweging te nemen die de afgedankte concepten vervangen of aanvullen, en dit vereist een nieuwe fysieke intuïtie. En onder zulke dramatische omstandigheden is het pad geplaveid voor Einsteins kwantumvergelijkingen. De fysica van het ruimte-tijd continuüm is "gefixeerd" op de overblijfselen van het ruimte-tijd weefsel. Tegelijkertijd wordt duidelijk dat de draden zelf, die de basis vormen van het weefsel van het universum, een speciale betekenis krijgen. Met behulp van de kwantumvergelijking van Einstein kan men nog steeds natuurkunde bestuderen, de processen beschrijven die plaatsvinden in de kwantumwereld. Maar er is hier een belangrijk punt. Het feit is dat bij afwezigheid van een ruimte-tijd continuüm veel van de concepten die in de natuurkunde vaak worden gebruikt, gewoonweg onjuist worden. Het is noodzakelijk om nieuwe concepten in overweging te nemen die de afgedankte concepten vervangen of aanvullen, en dit vereist een nieuwe fysieke intuïtie. En onder zulke dramatische omstandigheden is het pad geplaveid voor Einsteins kwantumvergelijkingen. De fysica van het ruimte-tijd continuüm is “gefixeerd” op de overblijfselen van het ruimte-tijd weefsel. Tegelijkertijd wordt duidelijk dat de draden zelf, die de basis vormen van het weefsel van het universum, een speciale betekenis krijgen. Met behulp van de kwantumvergelijking van Einstein kan men nog steeds natuurkunde bestuderen, de processen beschrijven die plaatsvinden in de kwantumwereld. Maar er is hier een belangrijk punt. Het feit is dat bij afwezigheid van een ruimte-tijd continuüm veel van de concepten die in de natuurkunde vaak worden gebruikt, gewoonweg onjuist worden. Het is noodzakelijk om nieuwe concepten in overweging te nemen die de afgedankte concepten vervangen of aanvullen, en dit vereist een nieuwe fysieke intuïtie. En onder zulke dramatische omstandigheden is het pad geplaveid voor Einsteins kwantumvergelijkingen.krijgen een speciale betekenis. Met behulp van de kwantumvergelijking van Einstein kan men nog steeds natuurkunde bestuderen, de processen beschrijven die plaatsvinden in de kwantumwereld. Maar er is hier een belangrijk punt. Het punt is dat bij afwezigheid van een ruimte-tijd continuüm veel van de concepten die in de natuurkunde vaak worden gebruikt, simpelweg onjuist worden. Het is noodzakelijk om nieuwe concepten in overweging te nemen die de afgedankte concepten vervangen of aanvullen, en dit vereist een nieuwe fysieke intuïtie. En onder zulke dramatische omstandigheden is het pad geplaveid voor Einsteins kwantumvergelijkingen.krijgen een speciale betekenis. Met behulp van de kwantumvergelijking van Einstein kan men nog steeds natuurkunde bestuderen, de processen beschrijven die plaatsvinden in de kwantumwereld. Maar er is hier een belangrijk punt. Het feit is dat bij afwezigheid van een ruimte-tijd continuüm veel van de concepten die in de natuurkunde vaak worden gebruikt, gewoonweg onjuist worden. Het is noodzakelijk om nieuwe concepten in overweging te nemen die de afgedankte concepten vervangen of aanvullen, en dit vereist een nieuwe fysieke intuïtie. En onder zulke dramatische omstandigheden is het pad geplaveid voor Einsteins kwantumvergelijkingen. Het is noodzakelijk om nieuwe concepten in overweging te nemen die de afgedankte concepten vervangen of aanvullen, en dit vereist een nieuwe fysieke intuïtie. En onder zulke dramatische omstandigheden is het pad geplaveid voor Einsteins kwantumvergelijkingen. Het is noodzakelijk om nieuwe concepten in overweging te nemen die de afgedankte concepten vervangen of aanvullen, en dit vereist een nieuwe fysieke intuïtie. En onder zulke dramatische omstandigheden is het pad geplaveid voor Einsteins kwantumvergelijkingen.
Op basis van deze vergelijkingen werd het mogelijk om enkele details van de oerknal te verduidelijken. Het bleek dat Einsteins differentiaalvergelijkingen geschreven voor het ruimte-tijd continuüm vervangen moesten worden door differentiaalvergelijkingen geschreven in de taal van de discrete structuur van de kwantumgeometrie. Het probleem is dat de standaard Einstein-vergelijkingen, die de klassieke ruimte-tijd perfect beschrijven, volledig stoppen met werken bij het naderen van de oerknal, wanneer de dichtheid van materie de Planck-dichtheid van 1094 g / cm3 in orde van grootte nadert. In de kwantumgeometrie wordt de kromming van ruimte-tijd in het Planck-regime erg groot, maar eindig. Verrassend genoeg genereren de effecten van kwantumgeometrie een nieuwe afstotende kracht die zo groot isdie gemakkelijk de zwaartekracht overwint. De algemene relativiteitstheorie werkt niet meer. Het universum breidt zich uit. De kwantumvergelijkingen van Einstein stellen iemand in staat kwantumgeometrie te ontwikkelen en een correcte beschrijving van materie te construeren in het Planck-regime, dat geen ruimte laat voor zo'n niet-fysiek concept als een singulariteit. De oerknal wordt vervangen door een krachtige kwantumschok.
Een numerieke berekening van het proces in het ruimtelijk homogene isotrope geval werd uitgevoerd op basis van de kwantum Einstein-vergelijkingen. Het ruimte-tijd continuüm werd berekend buiten het Planck-regime en aan de "andere" kant van de oerknal. Op de zogenaamde tak van de "pre-big" explosie. Het bleek dat dit samentrekkende continuüm ook goed wordt beschreven door de algemene relativiteitstheorie. Wanneer de dichtheid van materie echter gelijk wordt aan 0,8 van de Planck-dichtheid, wordt de afstotende kracht die wordt gegenereerd door de kwantumgeometrie, die voorheen onbeduidend was, dominant. En in plaats van in te storten tot een punt, ervaart het Universum een sterke kwantumimpact, die het proces vertaalt in een zich uitbreidende tak van de "post-big" bang, waarin we nu leven. De klassieke algemene relativiteitstheorie beschrijft beide takken heel goed, behalve wanneer
Het verschijnen van een afstotende kracht van kwantum-aard op het moment van een kwantuminslag heeft een interessante analogie met het verschijnen van een afstotende kracht in het proces van het sterven van een ster. In het geval dat de afstotende kracht de zwaartekracht begint te overheersen, wanneer de kern van de ster een kritische dichtheid van 6x1016 g / cm3 bereikt, kan het voorkomen dat de ster in een zwart gat instort en verandert het in een stabiele neutronenster. Deze afstotende kracht wordt gegenereerd door het Pauli-uitsluitingsprincipe en houdt rechtstreeks verband met de kwantum-aard van het proces dat plaatsvindt. Als de massa van de stervende ster echter groter blijkt te zijn dan 5 keer de massa van de zon, overwint de zwaartekracht deze kracht en stort de ster ineen tot een zwart gat. Er ontstaat een singulariteit. De afstotende kracht die wordt gegenereerd door de kwantumgeometrie komt in het spel bij hogere materiedichtheden,maar tegelijkertijd overwint het de zwaartekrachtscompressie, hoe massief het ineenstortende lichaam ook was. Dit lichaam kan inderdaad het hele universum zijn! De aantrekkingskracht van de zwaartekracht van de kwantumlus is dat door dit effect te voorspellen, het singulariteiten verhindert om zich in de echte wereld te vormen door het "leven" van onze ruimtetijd te verlengen via een kwantumbrug.
Dankzij Einstein onderging het begrip van ruimte en tijd in de 20e eeuw een radicale herziening. De geometrie van het ruimte-tijd continuüm is net zo fysiek geworden als de materie daarvoor was. Dit begrip opende nieuwe perspectieven in de kosmologie en astronomie. Maar in onze eeuw wachten ons niet minder dramatische veranderingen in het begrip van ruimte-tijd. Dankzij de kwantumgeometrie zijn de oerknal en zwarte gaten voor fysica niet langer omgeven door grenzen van ontoegankelijkheid. Fysieke kwantumruimtetijd is veel groter dan de algemene relativiteitstheorie. Het bestaan van een verband tussen deze theorieën stelt ons in staat te spreken van de consistentie van kwantumluszwaartekracht. Deze consistentie stelt ons in staat om vrij duidelijke conclusies te trekken over de fysica van de oorsprong van ons heelal en over de fysica van zwarte gaten. Door de verdere ontwikkeling van deze theorie kunnen er nog meer opwindende mogelijkheden ontstaan.