Wetenschappers hebben dus zwaartekrachtgolven ontdekt - rimpelingen van ruimte-tijd. Albert Einstein suggereerde hun bestaan 100 jaar geleden, en directe observatie leverde het laatste bewijs van het meesterwerk van de grote wetenschapper: de algemene relativiteitstheorie. Wetenschappers van Caltech en MIT hebben een gravitatiegolf ontdekt die wordt gegenereerd door twee botsende zwarte gaten.
Einstein werd niet altijd als een genie beschouwd. Toen hij voor het eerst zijn twijfelachtige gedachten over de relativiteitstheorie uitte, organiseerden sommige wetenschappers protesten. Anderen hekelden Einstein eenvoudig in de pers en gaven hem de schuld van zowel gevaarlijke ideeën als Joodse afkomst.
Maar het werk van de wetenschapper zette de natuurkunde vanaf het begin op zijn kop. Einsteins universum speelt snel en natuurlijk met de begrippen positie en snelheid - behalve het licht, dat altijd met 300 miljoen meter per seconde door het vacuüm veegt. Ruimte en tijd worden gemengd tot een vierdimensionale melasse die ruimte-tijd wordt genoemd en die kan worden uitgerekt en vervormd door materie, materie, massa. En bewegende materie volgt de krommen van ruimte-tijd - een verborgen geometrie die we waarnemen als zwaartekracht.
Klinkt als onzin.
Maar in de afgelopen 100 jaar hebben experimenten keer op keer aangetoond: Einstein heeft gelijk. Zijn theorie is te vaak bewezen om al deze keren hier op te noemen, maar zelfs de meest opvallende gevallen zijn indrukwekkend.
Licht is zowel een golf als een deeltje
Promotie video:
Einsteins naam wordt meestal geassocieerd met relativiteitstheorie, maar hij won de Nobelprijs voor zijn werk aan licht. De klassieke fysica stelde dat licht een golf is, maar deze theorie kon niet verklaren hoe en waarom metalen elektronen uitzenden wanneer ze worden verlicht - dit fenomeen wordt het foto-elektrisch effect genoemd.
Einstein verklaarde dit vreemde gedrag door te suggereren dat licht eigenlijk bestaat uit discrete golfpakketten (fotonen) met energieën die gerelateerd zijn aan hun frequentie. Deze ontdekking leidde tot de opkomst van de kwantumfysica, waarin alle atomen zich op een vreemde golfachtige manier gedragen, en Einstein hielp deze ontdekking tot stand te brengen.
Ruimtetijd kan buigen
Einsteins eerste grote overwinning in de algemene relativiteitstheorie kwam toen hij de mysterieuze schommeling in de baan van Mercurius uitlegde. In 1859 schreef de briljante Franse astronoom Urbain Le Verrier dit effect toe aan een nooit eerder geziene planeet genaamd Vulcan, die volgens hen Mercurius aantrekt. Maar jarenlang zoeken leverde niets op, niemand vond een Vulcan.
Tot Einsteins grote vreugde bracht zijn nieuwe relativiteitstheorie Vulcanus overeind, wat aantoont dat de massa van de zon in de buurt van de ruimtetijd buigt, net zoals een bowlingbal een elastisch maar zacht oppervlak zou buigen. Omdat Mercurius zo dicht bij de zon staat, is zijn wiebelende baan het dichtstbijzijnde pad door de ruimtetijd, gekromd door de massa van de zon. Er is geen en er was geen andere planeet: het draait allemaal om de geometrie van het universum, wat Newton niet vermoedde.
Ruimte-tijd kan een "lens" zijn
Einstein had weer gelijk in mei 1919 tijdens een totale zonsverduistering. Volgens de relativiteitstheorie zal de ruimtetijd, gekromd door de massa van de zon, het invallende sterlicht buigen als een lens.
De Britse astronoom Arthur Eddington nam grote foto's van de zonsverduistering en ontdekte dat de zon de Hyaden-sterrenhoop had uitgestrekt en het licht van individuele sterren ongeveer een tweeduizendste van een graad had afgebogen - volgens de voorspelling van Einstein, die de kromming verdubbelde die werd voorspeld door de Newtoniaanse fysica.
Zelfs Einstein had niet verwacht hoe nuttig dit fenomeen zou zijn voor astronomen: door de sterrenstelsels zelf als gigantische lenzen te gebruiken, kunnen astronomen in het verleden kijken, in de vroegste jaren van het universum. En als astronomen zien dat de lenswerking wordt veroorzaakt door een aantal onzichtbare massa's, kunnen ze grote gebieden met donkere materie in kaart brengen.
Rotatie van massa's verdraait ruimte-tijd
Materie vervormt niet alleen de ruimte-tijd, zoals de bowlingbal, maar roterende massa's zoals de aarde trekken ook gemakkelijk de ruimte om zich heen, als een lepel in melasse. Dit beïnvloedt de banen van de dichtstbijzijnde satellieten - het bizarre effect van het slepen van traagheidsreferentiekaders, het Lense-Thirring-effect.
Het Lense-Thirring-effect werd in 1918 voorspeld door de algemene relativiteitstheorie en werd bevestigd in 2004 toen wetenschappers ontdekten dat de rotatie van de aarde gemakkelijk de banen van twee satellieten verschoof. In 2011 bevestigde NASA's Gravity Probe B-sonde de vondst en verfijnde de cijfers.
Zwaartekracht vertraagt de tijd
De vergelijkingen van Einstein geven materie ook de mogelijkheid om de tijd te versnellen of te vertragen - en de kleur van licht te veranderen.
We kunnen deze vreemde voorspelling zelfs vanaf de aarde correct zien: het licht van verre sterren neemt hogere frequenties aan - of ziet er blauwer uit - dan een waarnemer in de diepe ruimte zou zien. En hoe verder je weggaat van de zwaartekrachtbron van de aarde, hoe lager en lager de frequentie die het door de aarde uitgezonden licht ontvangt, en gehoorzaamt aan het effect van de zwaartekracht roodverschuiving.
Immers, zelfs uw smartphone kan de relativiteitstheorie niet negeren: zonder relativistische correcties zouden klokken op GPS-satellieten elke dag 38 microseconden sneller tikken dan op het aardoppervlak, waardoor de nauwkeurigheid van het systeem na twee minuten wordt vernietigd en dagelijks 10 kilometer aan fouten wordt toegevoegd.