Reuzenschouders

Op de schouders van reuzen

Van het allerkleinste naar het allergrootste, of het nu gaat om het onvoorspelbare gedrag van deeltjes of om het hart van een zwart gat, de fysica probeert de volledige natuur te doorgronden. Grootheden zoals Albert Einstein, Stephen Hawking en Richard Feynman baanden de weg. Delta ITP-onderzoekers proberen nu te ontdekken welke uitzichten dat gebaande pad biedt, ze pionieren zelf verder waar de route ophoudt, en ze tekenen op welke bijzondere dingen ze onderweg tegenkomen.

RUIMTETIJD

Toen Albert Einstein het toneel betrad, leek het alsof natuurkundigen de zwaartekracht al aardig in de smiezen hadden. Het is de kracht waarmee massa’s aan elkaar trekken. Zo trekt een zwart gat aan nabije sterren, trekt de zon aan de aarde, en trekt de aarde aan mensen die daardoor niet de ruimte in zweven.

Maar weten hóe iets werkt, is niet hetzelfde als weten waaróm het zo werkt. Einstein bracht de zwaartekrachttheorie een grote stap verder door zich dat af te vragen. Hij besefte dat een massa de ruimtetijd om zich heen kromt. En alles wat door de ruimte beweegt, moet zich aan die kromming houden.

Daardoor valt een ster in de buurt van een zwart gat onverbiddelijk naar binnen: de ster volgt het voorgeschreven pad van de kromme ruimtetijd om dit donkere monster. De aarde, op haar beurt, draait rondjes in de gekromde ruimtetijd van de zon.

Een ruimtetijd die kan vervormen, opende een nieuw hoofdstuk in de kosmologie. Zo besefte Einstein dat de ruimte ook kan trillen wanneer twee zwarte gaten op elkaar klappen – een fenomeen dat hij zwaartekrachtgolven noemde. In 2015 zijn deze golven voor het eerst gemeten, precies honderd jaar nadat Einstein ze voorspelde.

‘Einstein heeft ons doen begrijpen dat ruimte en tijd vol leven zitten. Ze kunnen krommen, uitdijen, trillen’

- Robbert Dijkgraaf, snaartheoreet en minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap

‘Hawking heeft een – nog altijd mysterieuze – brug geslagen tussen de quantummechanica en de ruimtetijd van Einstein’

- snaartheoreticus Jan de Boer, Universiteit van Amsterdam -

RAND VAN DE REALITEIT

Wat gebeurt er als je over de rand van een zwart gat glijdt? Je bent voor altijd verloren, zoveel mag duidelijk wezen. Zelfs licht kan niet ontsnappen aan de extreme kromming rondom deze kosmische grootheden. Maar betekent dat ook dat zwarte gaten niets dan oorverdovende stilte laten horen? Of kunnen we toch een signaal opvangen van deze spannende gebieden in de ruimtetijd?

Stephen Hawking stelde deze vraag en kwam op het grootste inzicht van zijn carrière. Stel, je kijkt naar de grens van een zwart gat – precies op het punt dat het verschil betekent tussen opgeslokt worden en ontsnappen. Daar kan, beredeneerde Hawking, een deeltje en een antideeltje ontstaan. Eén van de twee kan worden opgeslokt, terwijl de ander nét kan ontsnappen. De ontsnapte deeltjes – zogeheten hawkingstraling – zouden we moeten kunnen detecteren.

Tot nu toe blijft het bij een theoretische voorspelling, Hawkingstraling is nog nooit gemeten. Maar de zoektocht is volop gaande. Met hawkingstraling komen we dichter bij een boodschap uit de onderbuik van een zwart gat dan ooit op een andere manier mogelijk zal zijn.

‘Feynman verbond de fundamentele natuurkunde van het allerkleinste met baanbrekende toepassingen’

- Rembert Duine, hoogleraar nanofysica aan de Universiteit Utrecht -

DEELTJESWERELD

Van het grootste naar het allerkleinste: de wereld van deeltjes is er een van onzekerheden. Zo kan een deeltje bijvoorbeeld op twee plekken tegelijkertijd zijn. Of kan het zowel linksom en rechtsom draaien. Pas wanneer je het deeltje bekijkt (ofwel: meet waar het is, of hoe het draait), belandt het in een van de mogelijkheden. Door deze fundamentele onzekerheid is de wereld op de kleinste schaal niet een van feiten, maar van waarschijnlijkheden. Welkom in het onzekere domein van de quantummechanica.

Het pad naar het allerkleinste werd verkend door natuurkundigen als Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger en Paul Dirac. Een nieuwe formulering van de quantummechanica kwam uit de koker van de Amerikaan Richard Feynman, die de theorie beroemd maakte met zijn observatie dat hij ‘gerust durfde te beweren dat niemand de quantummechanica echt begrijpt’. De wereld van het allerkleinste biedt ongekende mogelijkheden, zag Feynman. Dat idee vereeuwigde hij met de gevleugelde woorden: ‘Er is volop ruimte onderaan.’ Door met atomen te bouwen, deeltjes te manipuleren en de quantumwetten te beteugelen, hopen natuurkundigen de wereld tot op zijn diepste fundament in de vingers te krijgen.