In de vorige editie hebben we gezien dat onze huidige theorieën over natuur en ruimtetijd onvolledig zijn. Er zijn fysische situaties waarbij tegelijkertijd sterke gravitatiekrachten en korte afstanden een rol spelen. Om dergelijke situaties te beschrijven, hebben we zowel een theorie voor de algemene relativiteit als een kwantumtheorie nodig. Helaas is er nog geen theorie voor “kwantumgravitatie” waarin deze beide theorieën verenigbaar worden gecombineerd, hoewel we ervan overtuigd zijn dat deze bestaat.
Ondanks decennia van toegewijd onderzoek zijn alle pogingen om dit probleem op te lossen tot dusver zonder succes gebleven. Hiervoor is een aantal redenen aan te wijzen. In de klassieke Algemene Relativiteitstheorie is de wiskundige structuur van de vergelijkingen die de beweging en het gedrag van ruimtetijd beschrijven al zeer gecompliceerd. Bovendien is het onduidelijk hoe sommige van onze standaardregels met betrekking tot de kwantumtheorie (die zijn gemaakt voor situaties waarbij ruimtetijd geen beweging en structuur vertoont) kunnen worden aangepast voor dynamische ruimte-tijdkrommingen.
Onze reis door de ruimtetijd raakt steeds verder van de vertrouwde wereld, terwijl het leven hier op aarde onverstoord zijn gang gaat. En terwijl jij je in een van de verste uithoeken in het universum begeeft, is daar ergens in zomaar een willekeurig sterrenstelsel, in de nabijheid van gewoon een gemiddelde ster op een planeet die Aarde blijkt te heten een klein groepje studenten en onderzoekers verwikkeld in de strijd om de Academische Jaarprijs. Je leest het goed: ook Team Utrecht heeft de afgelopen maanden van stilzitten niet gehoord!
Wat je al van ons wist is dat we een van de moeilijkste en meest abstracte onderwerpen uit de natuurkunde toegankelijk willen maken voor iedereen die zich de vragen over het hoe? en waarom? van het bestaan stelt. Wat je nog niet wist is dat wij hierin hand in hand willen gaan met kunstenaars, om zo ook de belangrijke brug te slaan tussen twee werelden die veel meer gemeen blijken te hebben dan slechts een grote dosis creativiteit. Met als doel deze drie werelden met elkaar in contact te brengen, heeft Team Utrecht zich weten te versterken met de jonge kunstenaar Jennifer Kanary.“Ik wil uiteindelijk de kans vergroten dat mensen Eureka! momenten kunnen putten uit kunstwerken, en zo door kunst geïnspireerd nieuwe kennis kunnen opdoen,” aldus Jennifer. Hier lees je het interview door Egbert Rijke en maak je kennis met onze nieuwe aanwinst. (meer…)
Als je nieuwsgierig bent naar het onderzoek van onze team-leider prof. Renate Loll en je wilt direct in het quantum schuim van ons universum duiken, ga dan snel naar de dichtsbijzijnde nieuws-stand en koop de nieuwe Scientific American (Nederlandstalige editie) om haar interview over ruimtetijd schuim, Stephen Hawking, causaliteit en het universum opgebouwd uit Lego-steentjes te lezen.
Of klik hier
Zoals we eerder hebben gezien, beschrijft de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein hoe ruimte en ruimtetijd kromming kunnen vertonen. We hebben al geleerd dat een enkel massief lichaam, zoals onze zon, een ‘deuk’ in de ruimte maakt die door een passerende komeet of lichtstraal wordt opgemerkt. Deze deuk zorgt ervoor dat de komeet of de lichtstraal van zijn rechte pad afwijkt. Zolang de zon niet verandert, blijven ook de diepte en de vorm van de deuk ten opzichte van de positie van de zon onveranderd.
Bestaan er andere situaties waarin ruimtegeometrie niet stilstaat, maar zelf in beweging is? Jazeker. Deze dynamische processen zijn een andere belangrijke voorspelling van de Algemene Relativiteitstheorie. Een eenvoudig voorbeeld hiervan zijn twee zware sterren die rondom elkaar cirkelen, gevangen door hun wederzijdse zwaartekracht. Volgens de Algemene Relativiteitstheorie genereert hun beweging karakteristieke rimpelingen in de kromming van de ruimte. Deze rimpelingen verspreiden zich over de ruimte zoals een golfpatroon op de oppervlakte van een meer nadat er een steen in het water is gegooid.
Ondanks de grote stap van Newton’s visie van losse ruimte en tijd tot het idee dat ze allebei verenigt zijn in “ruimtetijd”, blijft er één ding onveranderd. Net zoals Newton’s ruimte en tijd, is Einstein’s ruimtetijd van de speciale relativiteitstheorie een vaste structuur die altijd bestaan heeft, en altijd zal blijven bestaan, zonder enige veranderingen te ondergaan. Ruimtetijd is slechts een “arena” voor al het andere in ons universum, levend of levenloos, het dient alleen maar als referentiekader om bewegingen en wisselwerkingen te beschrijven van alle objecten die er in bestaan.
Met andere woorden, ruimtetijd is een onveranderlijk podium waarop alles gebeurt, maar zelf doet het niet mee aan het toneelstuk dat “ons universum” heet. In Einstein’s speciale relativiteitstheorie is er voor de ruimte geen mogelijkheid om te veranderen of om te “bewegen”. Alles gebeurt in de ruimtetijd en zal de ruimtetijd zelf onveranderd laten.
Onze reis door “ruimte” en “tijd” zal ons ver leiden van de alledaagse opvatting van deze begrippen. Dit is niet bijzonder verrassend; het menselijk brein en lichaam hebben zich immers geëvolueerd om onze kans op overleving te optimaliseren in een (relatief) vriendelijke omgeving en op een schaal, waar de niet-triviale structuur van ruimte en tijd zonder vervelende consequenties kan worden genegeerd.
Ruimte en tijd dringen door tot elk aspect van ons bestaan, toch staan we zelden stil bij de diepere betekenis van deze verschijnselen.
Dus wat zijn ruimte en tijd nu echt?
In de komende weken en maanden willen we je meenemen op een reis om uit te leggen wat we vanuit natuurkundig oogpunt begrijpen van de aard van ruimte en tijd en wat we nog hopen te leren van het huidige onderzoek. Er zullen ons vele verrassingen te wachten staan! (meer…)