EINSTEINS DROOM

Ik ben het niet eens met de opvatting dar het heelal een raadsel is: iets dat men intuÔtief kan benaderen, zonder het ooit geheel te kunnen analyseren of begrijpen.

We kennen nu wiskundige wetten de alles beheersen wat tot onze normale waarnemingswereld behoort.

De vooruitgang in kennis van het heelal zou voor ons een aansporing moeten zijn te geloven dat een volledig begrip onze mogelijkheden niet te buiten gaat.

Ik ben geboren 8 jan 1942 precies 300 honderd jaar na de dood van Galilei. Ik ben in Oxford geboren, hoewel mijn ouders in Londen woonden. Dat kwam omdat Oxford in de 2WO een gunstige plek was om op aarde te komen: er bestond en overeenkomst met de Duitsers dat zij Oxford en Cambridge niet zouden bombarderen, wanneer de Britten op hun beurt Heidelberg en Gottinge ongemoeid zouden laten.

We zijn er in geslaagd de vergelijking op te lossen voor alleen het eenvoudigste systeem, een waterstofatoom dat een proton en een electron bestaat. Maar voor ingewikkelder atomen met meer elektronen, om nog maar te zwijgen van moleculen met meer dan een kern zullen we ons toevlucht moeten nemen tot benaderingen en intuÔtieve gissingen waarvan de geldigheid op zijn minst twijfelachtig is. Voor macroscopische systemen die uit zoín 10-23 deeltjes bestaan zullen we statistische methoden moeten gebruiken en elke pretentie dat we nauwkeurige oplossingen voor vergelijkingen kunnen geven laten varen.

De grootste prestatie in de theoretische natuurkunde van deze eeuw is de ontdekking van de quantumtheorie. De grondstelling hiervan is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat stelt dat bepaalde paren grootheden zoals de positie en impuls van een deeltje zich niet tegelijkertijd met willekeurige nauwkeurigheid laten meten.

In het geval van het atoom betekent dit dat het electron in zijn laagste energietoestand zich niet in rusttoestand in de kern kon bevinden, omdat dan niet alleen zijn positie nauwkeurig zijn gedefinieerd (namelijk in de kern), maar ook zijn snelheid (namelijk nul). In plaats daarvan zou het electron volgens een waarschijnlijkheidsverdeling rond de kern uitgesmeerd moeten zijn. In deze toestand zou het electron geen energie in de vorm van electro-magnetische golven kunne uitstralen omdat het geen lagere energietoestand zou kunnen bereiken.

Tot dusver zijn de meeste pogingen van theoretici er op gericht om de sterke,zwakke en elektromagnetische kracht te unificeren. Maar de zwaartekracht dient er wel bij betrokken te worden als men ooit tot een echte geŁnificeerde theorie wenst te komen.

Hoe goed zijn onze vooruitzichten om tot een quantumtheorie van de zwaartekracht te komen en om die kracht met de andere drie te verenigen. Onze hoop schijnt te liggen in een uitbreiding van de algemene relativiteitstheorie, die supergratificatie genoemd wordt. Volgens deze uitbreding is het graviton het deeltje met spin Ė2 dar de zwaartekrachtwisselwerking draagt, verwant aan een aantal andere velden met een lagere spin door de zogenaamde supersymmetrietransformaties.

De grootste verdienste van een dergelijke theorie is dat er een einde wordt gemaakt aan het oude dualisme tussen materie en wisselwerkingen.

Een kenmerk van deze theorie zou moeten zijn dat de zwaartekracht de oorzakelijke structuur van de ruimte-tijd aantast; dat wil zeggen dat de zwaarrtekracht bepaalt welke gebeurtenissen oorzakelijk aan elkaar kunnen worden gerelateerd.

Het ziet er naar uit dat zon theorie alleen maar statistische voorspellingen kan doen. Ook zouden we het idee moeten laten varen dat er een enkel heelal is dat we kunnen waarnemen. In plaats daarvan zouden we moeten overschakelen op de opvatting dat er een samenspel van mogelijke heelallen zou kunnen zijn, met een of andere waarschijnlijkheidsverdeling.

Om Voltaires filosoof Panglos te parafraseren: We leven in de meest waarschijnlijke van alle mogelijke heelallen.

Door grotere machines kunnen we steeds dieper in de materie kijken.

Onze ervaringen in het verleden zouden kunnen suggereren dat er zich bij steeds hogere energieŽn een oneindige reeks schillen in de structuur bevindt. Zon beeld was zelfs een officieel dogma in China toen de bende van 4 daar aan de macht was. Men zou echter wel verwachten dat er door het bestaan van de zwaartekracht eens een grens moet worden bereikt, hoewel die alleen zal gelden bij de zeer korte lengteschaal van 10-33 centimeter of de zeer hoge energiewaarde van 10-28eV. Bij nog kortere lengteschalen zou men verwachten dat de ruimte-tijd zich niet meer als een gelijkmatige continuŁm gedraagt en dat zij een schuimrubberachtige structuur krijgt door de quantumfluctuaties van het grativitatieveld.

Tussen de 10-10eV de grens van onze huidige experimenten en de zwaartekrachtgrens van 10-28eV ligt een zeer groot nauwelijks verkent terrein.

Tot nu toe ben ik ervan uitgegaan dat er een theorie moet zijn, maar is dat zo? Er zijn 3 mogelijkheden:
1- Hij is er
2- Hij is er niet, maar er is een oneindige reeks theorieŽn voor elke klasse waarnemingen
3- Hij is er niet. Als een bepaald punt overschreven wordt laten waarnemingen zich niet meer beschrijven, ze zijn willekeurig


Supergrativitatietheorien lijken de enige deeltjestheorieŽn te zijn die over de eigenschappen 1,2 en 3 beschikken, maar sinds ik dit schreef is er veel belangstelling voor de zogenaamde supersnaartheorien

De quantummechanica is in essentie een theorie over wat we niet weten en niet kunnen voorstellen.

Einsteins droom
De algemene relativiteitstheorie betreft de ruimte en de tijd en de wijze waarop zij op zeer grote schaal zijn gekromd of gebogen door de materie en de energie in het heelal. De quantummechenica behandelt verschijnselen op zeer klein schaal. Het omvat het zogenaamde onzekerheidsbeginsel, dat stelt dat men nooit op hetzelfde tijdstip de plaats en de snelheid van een deeltje exact kan meten.

Hoe kunnen waarnemers die met een verschillende snelheid voortbewegen allemaal dezelfde lichtsnelheid meten. In 1905 wees Einstein erop dat al deze waarnemers dezelfde lichtsnelheid konden meten wanneer zij het idee van een universele tijd zouden laten varen. Zij moesten in plaats daarvan ieder hun individuele tijd hebben, die werd gemeten door een klok die zij bij zich droegen.

Einsteisn oorspronkelijke theorie noemen we nu speciale relativiteitstheorie. Hij beschrijft hoe voorwerpen door ruimte en tijd voortbewegen. De theorie toont aan dat tijd geen universele grootheid is die op zichzelf onafhankelijk van de ruimte. Toekomst en verleden zijn veeleer niet meer dan richtingen, net als boven en beneden, links en rechts, in iets dar ruimte, tijd wordt genoemd. Je kunt alleen voortbewegen in de toekomstige tijdsrichting, maar je kunt er wel een beetje van afwijken. Daarom kan de tijd in verschillende tempos verstrijken.

In 1915 de algemene relativiteitstheorie. Revolutionaire gedachte dar de zwaartekracht niet zomaar een kracht was die in een vastomlijnde achtergrond van ruimte-tijd werkzaam was. De zwaartekracht was daarentegen een vervorming van de ruimte-tijd die werd veroorzaakt door de zich daarin bevindende massa en energie.
Volgens de ART betekent het feit dar massa altijd positief is dar de ruimte-tijd om zichzelf gekromd is, net zo als het oppervlak van de aarde.

De ATR die hij opstelde, voorspelde dar het heelal uitdijde. Maar hij bleef overtuigd van een statisch heelal dat hij aan zijn theorie een element toevoegde (constante?) om haar in overeenstemming te brengen met de theorie van Newton en de zwaartekracht.

Als Einstein zich aan de oorspronkelijke vergelijkingen zonder de kosmologische constante had gehouden zou hij hebben voorspeld dat het heelal ofwel uitdijde ofwel samentrok. Niemand dacht toen dat het heelal in de loop van de tijd veranderde, tot Edwin Hubble in 1929 ontdekte dar verafgelegen sterrenstelsels van ons afbewegen. Het heelal dijt uit. Einstein noemde later de kosmologische constante zijn grootste vergissing.

Een bewijs voor het feit dat deze uitdijing uniform en niet chaotisch verloopt wordt geleverd door een achtergrond van microgolfstraling die ons waarneembaar ver vanuit de ruimte komt. Iedereen kan deze straling zelf waarnemen door de televisie af te stemmen op een leeg kanaal. Een klein percentage van de stipjes op het scherm is afkomstig van microgolfoven uit de ruimte buiten ons zonnenstelsel. Het daarbij om dezelfde soort straling als bij een microwave (2,7 graden boven het absolute nulpunt)

De achtergrondstraling is bijna evenredig verdeelt in de ruimte. Dit betekent dat het gedrag van het heelal op zeer grote schaal eenvoudig en niet chaotisch is. Daarom moet het tot ver in de toekomst voorspelbaar zijn. De doorslaggevende vraag is wat zijn gemiddelde dichtheid is. Als deze minder bedraagt dat de kritische waarde zal het heelal voor eeuwig uitdijen. Maar als deze groter is zal het heelal weer ineenstorten en zal de tijd weer eindigen in een tijdkrak.


In de jaren 60 hernieuwde belangstelling voor het ineenstorten onder invloed van de zwaartekracht en de begintijd van het heelal. Wat einstein ART nu exact voorspelde voor deze situaties bleef onduidelijk. Totdat Roger Penrose en ik een aantal stellingen bewezen. Deze toonden aan dat het feit dar de ruimte tijd om zichzelf was gekromd impliceerde dar er singulariteiten moesten zijn, plaatsen waar de ruimte tijd een begin of een einde had. De ruimte tijd moest een begin hebben gehad in de oerknal, ongeveer 15 mrd jaar geleden, en er zou een eind aan komen voor een ster die instorte en voor alles wat in het resterende zwarte gat viel. Het fiet dat De ATR singulariteitten bleek te voorpellen leidde tot een crisis in de natuurkunde. ATR kon niet verklaren hoe het heelal tijdens de oerknal moet zijn begonnen.

De ATR was niet volledig. Er moest een bestanddeel aan worden toegevoegd om te bepalen hoe het heelal moet zijn begonnen en wat we zal gebeuren wanneer de materie onder invloed van de eigen zwaartekracht instort. De quantummechanica lijkt ditr noodzakelijke extra bestanddeel te zijn.

In 1905 toen Einstein zijn SRT publiceerde, schreef hij ook over een verschijnsel dat het foto-elektrisch effect wordt genoemd. Men had waargenomen dat er geladen deeltjes werden afgegeven wanneer er licht op bepaalde metalen viel.

Het idee dat licht uitsluitend bestaat in de vorm van pakketjes, zogenaamde quanta was een paar jaar tevoren door de Duitse natuurkundige Max Planck geÔntroduceerd.

De volle omvang van de betekenis dit effect besefte men pas in 1925 toen Werner Heisenberg erop wees dat dit het onmogelijk maakte de positie van een deeltje exact te meten. Het onzekerheidsprincipe toonde aan dat je de toestand van een systeem niet exact kon meten. Je kunt alleen de waarschijnlijkheid van verschillende uitkomsten voorspelen.

Dit element van toeval beviel Einstein helemaal niet. Hij weigerde te geloven dat natuurwetten geen definitieve ondubbelzinnige voorspellingen zouden kunnen doen. Zijn ART is een zogenaamde klassieke theorie . D.w.z dat zij het onzekerheidsbeginsel niet omvat. Men moet daarom een nieuwe theorie vinden die de ATR met het onzekerheidsbeginsel verbindt.

In 73 begon ik te onderzoeken welke uitwerling het onzekerheidsbeginsel zou hebben op een deeltje in de gekromde ruimte-tijd in de buurt van een zwart gat. Een zwart gat is een gebied van de ruimte waaruit onmogelijk iets kan ontsnappen als men minder snel dan de lichtsnelheid beweegt. De padintegraalmethode van Feynman beweert dat deeltjes elk pad door de ruimte tijd kunnen nemen. Het is daarom voor een deeltje ook mogelijk zich sneller dan het licht te verplaatsen. De waarschijnlijk is gering dat het zich over grotere afstanden met een snelheid die uitstijgt boven de lichtsnelheid verplaatst, maar het kan wel sneller dan het licht bewegen over en afstand die net ver genoeg is om uit het zwarte gat te komen om dan vervolgens langzamer dan de lichtsnelheid voort te bewegen.

Er kunnen veel kleinere zwarte gaten bestaan die tijdens het beginstadium van het heelal zjin gevormd. Deze oer zwarte gaten zouden een omvang kunnen hebben van minder dan die van een atoomkern, terwijl hun massa wel een miljard ton kan bedragen, evenveel als de massa van mount Fuyi. De voorspelling van door zwarte gaten uitgezonden straling was het eerste wezenlijke resultaat van de combinatie van de ATR met het quantumprincipe.


De afgelopen jaren hebben enkele ontwikkelingen opgeleverd die de hoop wekken dat we binnen niet al te lange tijd over een volledig consistente quantumtheorie van de zwaartekracht kunnen beschikken. Houdt verband met bepaalde ontdekte quantumeffecten mbt zwarte gaten die een opmerkelijke link leggen tussen zwarte gaten en de wetten van de thermodynamica.

Zodra een bepaald type ster haar nucleaire brandstof heeft opgebruikt is er niets meer om de buitenwaarts gerichte druk in stand te houden en zal de ster ineenstorten als gevolg van de zwaartekracht. Tegen de tijd dat de straal nog 30km bedraagt, is de ontsnappingssnelheid vergroot tot 300.000 km per seconde, dwz de lichtsnelheid. Daarna zal al het licht dat de ster dan nog uitzendt niet meer in het oneindige kunnen ontsnappen, maar het zak teruggetrokken worden door het zwaartekrachtsveld.

De eerste aanwijzing dat er wellicht verband tussen zwarte gaten en de thermodynamica bestaat, kreeg men toen in 197o wiskundig werd ontdekt dat het oppervalk van de waarnemimngshorizon de begrenzing van het zwarte gat, de eigenschap heeft steeds groter worden wanneer er materie of straling van buiten af in het zwarte dat valt. Deze eigenschappen duidden erop dat er een overeenkomst bestaat tussen het gebied van de waarnemeinfsshorizon van een zwart gat en het begrip entropie in de thermodynamica. Dit kan worden beschouwd als een maat voor de wanorde van een systeem, of wat op hetzelfde neerkomt, als een leemte in onze kennis omtrent de exacte toestand van het systeem. De beroemde 2e wet stelt van de thermodynamica stelt dat entropie met de tijd altijd toeneemt.

We weten dat het heelal ook nog een zogenaamde donkere materie moet bevatten, die we niet rechtstreeks kunnen waarnemen. Een bewijs wordt geleverd door spiraalvormige sterrenstelsels. Wat zou die donkere materie kunnen zijn die als de inflatietheorie klopt aanwezig moet zijn. Het meest veelbelovende is een deeltje waarvoor we bewijzen hebben: neutrino. Een andere mogelijkheid wordt gevormd door zwarte gaten.