Geef me de ruimte (20)

Voorstelling van een ‘gekromde’ ruimte rondom de aarde als gevolg van haar massa. Eén van de bevindingen van de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein. Door deze kromming rolt de satelliet als het ware naar de aarde toe. Dit wordt dan zwaartekracht genoemd. Bij voldoende snelheid volgt de satelliet een baan om de aarde. Bron: NASA.

De Relativiteitstheorieën van Einstein (1)

In de komende bijdragen ga ik aandacht besteden aan de beroemde Speciale- en Algemene Relativiteitstheorie van Einstein. Door de vele eeuwen heen hebben we ons beeld van natuur en heelal meerdere keren moeten bijstellen. We onderscheiden daarbij een drietal belangrijke periodes, t.w. die van de Antieke-, de Klassieke- en de Moderne mechanica. Het Antieke wereldbeeld gold voor een periode lopend van ongeveer 400 jaar v.Chr. tot 1600 jaar n.Chr. Gedurende deze tijd werd het wereldbeeld voornamelijk bepaald door de opvattingen van de Griek Aristoteles (384-322 v.Chr). Men sprak van een geocentrische wereld waarbij de aarde het middelpunt van het heelal was en de zon om de aarde draaide. Er bestond een “Onbewogen Beweger” die alles in beweging hield, dus een God. Rond het jaar 1600 begonnen nieuwe ideeën te ontstaan, het gevolg van waarnemingen van de sterrenhemel en verschijnselen op aarde (elektriciteit en magnetisme). Baanbrekend werk werd verricht door Galileo Galilei, Isaac Newton en James Maxwell. Het tijdperk van de Klassieke Mechanica had haar intrede gedaan. Tevens ontstond het heliocentrisch wereldbeeld, waarbij de aarde om de zon draait, evenals alle andere planeten. Rond 1900 ontstonden echter grote problemen rondom de snelheid van het licht. Deze bleek namelijk onafhankelijk te zijn van de snelheid van een waarnemer. Denk daarbij aan personen, voertuigen, raketten, e.d. Optelling van snelheden bleek niet meer te kunnen. Dit was geheel in tegenspraak met de opvattingen van de Klassieke Mechanica. Een oplossing daarvoor werd gegeven door de Speciale Relativiteitstheorie van Einstein (1905). Vanaf dat moment spreken we van het tijdperk “Moderne Mechanica/natuurkunde”. Tegelijkertijd ontstonden theorieën over de beweging binnen ons kleinste wereld, die van moleculen en atomen. Dit leidde tot de zgn. Kwantummechanica. Later zal blijken dat beide theorieën “kloppen” maar ook, dat zij niet geheel met elkaar in overstemming blijken te zijn. Al decennia zoekt men naar een zgn. theorie van alles, een unificatietheorie die de beide theorieën moet verenigen. Tot dit moment is de snaartheorie de meest belovende daarbij. Het voert echter te ver om hier uitgebreid bij stil te staan.

In alle beschouwingen over ons heelal spelen begrippen als zwaartekracht, beweging, energie, massa, ruimte en tijd een cruciale rol. In ons leven worden we dagelijks met dit soort aspecten in allerlei vormen geconfronteerd. Ze zijn allemaal zo vanzelfsprekend. Echter later zal blijken dat deze opvattingen niet geheel overeenkomen met de werkelijke situatie. Daarom is het goed om deze begrippen eens wat nader te bekijken, zie onderstaand figuur.

ZWAARTEKRACHT. Het was een vallende appel die Newton aan het denken zette en daarna tot de conclusie kwam dat lichamen elkaar aantrekken. Hoe groter de massa’s, des te groter is de onderlinge aantrekkingskracht. Nemen we als hypothetisch voorbeeld een vliegtuig op tien kilometer hoogte van waaruit iemand springt, dan zal hij onder de werking van de zwaartekracht (=gravitatie) naar de aarde vallen. Hij valt daarbij steeds sneller vanwege de gravitatieversnelling. Verwaarlozen we gemakshalve de luchtweerstand, dan slaat hij na zo’n 40 seconden te pletter met een snelheid van bijna 1600 km/uur. Door de zwaartekracht draaien we baantjes rondom de zon. Op gelijke wijze geldt dat voor de maan rondom de aarde.

RUIMTE. Bij ruimte denken we aan lengte, breedte en hoogte, m.a.w. een 3-dimensionale, kubische ruimte. Elk punt, plaats of positie wordt hiermee eenduidig bepaald. We spreken van drie dimensies. In de Klassieke Mechanica is de Ruimte een “absoluut” gegeven en "onveranderbaar" ongeacht welke processen zich daarin afspelen. Echter de Relativiteitstheorie zal aantonen dat door de aanwezigheid van grote hoeveelheden massa, de ruimte “gekromd” wordt.

MASSA is een natuurkundige grootheid die een eigenschap van materie aanduidt. Het is een maat voor de hoeveelheid en de aard van atomen en moleculen. Het zegt iets over het gemak waarmee deze in beweging kunnen komen. Voor de liefhebber geldt dan de tweede wet van Newton F = ma, oftewel kracht is massa maal versnelling. Met andere woorden, hoe groter de massa van een lichaam des de groter de vereiste kracht om deze in beweging te krijgen.

ENERGIE. Het woord Energie is een moeilijk begrip. We weten dat deze term in de 18de eeuw opdook om bepaalde gebeurtenissen te beschrijven, zoals windkracht, waterkracht, statische elektriciteit, magnetisme, e.d. Echter de onderlinge samenhang was nog ver te zoeken. Met de ontdekking in 1821 van Faraday dat elektriciteit en magnetisme met elkaar te maken hebben, maakten dat het begrip Energie steeds meer vorm kreeg. Geleidelijk aan ontstond het idee dat energie nooit verloren gaat en zo mogelijk overgaat in een andere vorm. Verbranding levert warmte maar kan ook beweging veroorzaken, wrijving leidt tot warmte, ontploffing geeft invallende muren, breken van glas, etc. Uiteindelijk leidde dit in de negentiende eeuw tot een Behoudswet, de zgn. “Wet van behoud van Energie”. Dit betekende dat alles met elkaar te maken heeft. Een vallende dakpan als gevolg van een windvlaag (kracht), moet een bepaalde hoogte overwinnen (zwaartekracht), raakt vervolgens de grond en breekt in stukken (kracht). Dit alles is vervolgens in evenwicht. Niets gaat verloren, hooguit wordt energie omgezet in een andere vorm. Elke toepassing in ons dagelijks leven is hierop gebaseerd. Graag noem ik aanvullend nog het zgn. “perpetuum mobile”. De gedachte hierbij is dat een apparaat dat eenmaal in beweging is gezet, altijd zal blijven bewegen. Theoretisch is dit onmogelijk. Er zullen altijd namelijk krachten zijn die de beweging verstoren.

GOLF. De golf kennen we in verschillende vormen. Denk daarbij o.a. aan geluid en de golven van het water. Echter licht is ook een golfverschijnsel. Het was Christiaan Huygens (1629-1695) die als eerste dit verklaarde. Echter Isaac Newton (1643-1727) was het daar niet mee eens. Volgens hem bestond licht uit massadeeltjes. Later zal blijken dat licht niet uit massadeeltjes bestaat, maar zich wel als zodanig gedraagt.

TIJD. Dit begrip is voor iedereen duidelijk. Denk bijvoorbeeld aan “leeftijd”, volgende week vieren we verjaardag, etc. Het is onlosmakelijk verbonden met het moment van een bepaalde gebeurtenis. De duur tussen twee gebeurtenissen noemen we “verstreken” tijd. We hebben tijd gedefinieerd in termen van seconden, minuten etc. Ook nu is binnen de Klassieke Mechanica tijd een absolute grootheid. De tijd kan niet worden vertraagd of versneld. M.a.w. de tijd op aarde is dezelfde als ergens ver in het heelal. Later zullen we echter zien dat dit niet het geval is. Dan zal blijken dat naarmate we sneller bewegen, de tijd langzamer zal verlopen! Naast de hierboven genoemde 3 dimensies (ruimte) wordt de tijd vaak als een vierde dimensie beschouwd.

Wordt vervolgd.