Zwaartekracht en ons heelal…
Stephen Hawking heeft een cool boek geschreven. Zijn laatste boek voor zijn overlijden in maart 2018: “De antwoorden op de grote vragen”. Een boek waarin Hawking een aantal grote vragen vanuit zijn perspectief, kennis en wetenschap beantwoordt. Met het lezen van het boek word ik ontzettend nieuwsgierig om meer te weten over natuurkunde, de natuurkundige wetten, ons heelal en het kleinste van het kleinste. Zo struin ik dan heel internet af, lees artikelen, kijk filmpjes van lezingen op YouTube. Ik maak dan aantekeningen, lees dingen terug en dan vooral om zaken te begrijpen. Want ik ben gewoon heel nieuwsgierig aangelegd. De volgende verhaallijn heb ik opgeschreven die gaat over zwaartekracht en ons heelal.
Zwaartekracht. Iedereen weet wat het is. Als we springen, zetten we energie in om ons los te maken van de aarde. Er komt echter een punt dat de energie minder is dan de aantrekkingskracht die de aarde heeft. Deze zwaartekracht zorgt ervoor dat we ook weer landen op de aarde. We kunnen erdoor lopen, dansen, rennen, vliegen. De eerste die nadacht over zwaartekracht was Isaac Newton. Hij dacht na hoe bijvoorbeeld kanonskogels worden afgeschoten en die van weer op de grond vallen. Hij dacht er ook over na die kogels misschien zo hard af te schieten, dat ze in een baan rond de aarde terecht zouden komen. De maan deed dit immers ook. Het was toen het jaar 1687… onvoorstelbaar hè. Door de banen van de planeten kon hij destijds de zwaartekrachtwet afleiden. De formule laat zien hoe de kracht afhangt van de massa van objecten. Einstein dacht ook na over zwaartekracht – weliswaar iets laten in de tijd. Hij stelde vast dat je versnelling – bijvoorbeeld een raket die wordt afgevuurd of een lift die omhoog gaat – wordt omgezet in zwaartekracht. De massa kromt de ruimte en daardoor kunnen banen van planeten afwijken. Hiermee verklaarde hij de ‘ongebruikelijke’ baan van de planeet Mercurius. Hij onthulde dat Mercurius zich wél juist gedraagt als rekening wordt gehouden met deze zogenaamde ruimtetijd. Hierover heb ik eerder deze week een artikel geschreven. Mercurius beweegt zich namelijk als een langgerekte ellips rond de zon – iets wat met de zwaartekrachtwet van Newton niet uit te leggen viel. In een zwaartekrachtveld kan het licht overigens ook gekromd worden. Als je een ster ziet staan, dan kan het zijn dat die helemaal niet op die plek staat. Hoe maf is dat? Bij een zonsverduistering komt het voor dat planeten opeens op een heel andere plek staan. Tijdens de eclips van 1919 zag onder andere de Britse astronoom Eddington dat sterren vlakbij de rand van de zon op een net iets andere plek stonden. De grootte van die afwijking kwam overeen met de voorspellingen van Einstein. Het wordt gezien als de eerste test van de algemene relativiteitstheorie en maakte van Einstein in korte tijd een beroemdheid.
Toch zijn er nog situaties waarin we met de zwaartekrachtwet hetgeen we waarnemen, niet kunnen verklaren. Op zich ook wel fijn, want anders was de mensheid waarschijnlijk zo arrogant geworden omdat we denken “dat we de hele natuurkundewetten wel even begrijpen”. Zo begrijpen we zwarte gaten nog niet. En begrijpen we de werking van de zwaartekracht ook nog niet na alles wat na het melkwegstelsel ligt. Wat dan wel? De aarde, met de maan, ons zonnestelsel. Daarna niet meer – en dat daarna ligt op ongeveer 1 tot de macht 5 lichtjaren. Een lichtjaar is overigens de afstand die het licht in één jaar aflegt. En licht reist met de snelheid van 299.792,458 kilometer per seconden. Een simpele rekensom laat zien dat één lichtjaar in meters overeenkomt met 299.792,458 * 365,25 * 24 * 60 * 60= 9.460.730.472.580.800 meter per jaar dat wij kennen. In het midden van onze Melkweg ligt een groot zwart gat. Om een zwart gat te begrijpen moet je de theorie van Einstein gebruiken. Een zwart gat roteert over het algemeen en ontstaan als een ster opgebrand is en implodeert. Alle materie zit dan heel dicht op elkaar. In die bol kan licht niet meer ontsnappen. Een zwart gat is werkelijk het einde van de wereld. Om het zwarte gat in het midden van het Melkwegstelsel heen, draaien alle planten. De zon staat er op ongeveer driekwart vandaan. Daar passen de wetten van Einstein en Newton niet meer en kunnen we de rotatie niet meer verklaren. De natuurkundigen denken dat dit te maken heeft met donkere materie. Omdat die materie donker is, kunnen we die niet gewoon even waarnemen. Donkere materie geeft namelijk geen licht. Het is dus omgedraaide waarneming: we zien de buiging van alles wat wel licht geeft rondom deze donkere materie. Het Melkwegstelsel zelf draait overigens sneller dan gedacht, waarbij de vraag opdoemt hoe dit komt. De gedachte is dat de Melkweg onderdeel is van een veel grotere massa die er als een soort van bol omheen zit. De wetenschap denkt dat dit komt door de materie die eromheen zit. Alleen… we kennen die materie niet en weten dus wetenschappelijk ook niet of die bestaat. Om in mijn eigen uitspraken te blijven: je weet niet wat je niet weet. Toch?
Als je naar de Melkweg kijkt en nog een keer uitzoomt, dan zie je de uiteinden van het heelal. Je zit dan op 10 tot de 11e macht lichtjaar. Mucho. Wat je ziet is een soort van netwerkstructuur van donkere materie. Op de snijpunten in dat netwerk kun je soortgelijke Melkwegstelsels verwachten. Wat goed is te beseffen en gelijktijdig heel maf is, is dat je terug kijkt in de tijd. Het licht doet er namelijk lang over om ons te bereiken. Met dit inzicht is er inmiddels ook meer dan eens berekend hoe oud ons heelal is. Het basis uitgangspunt dat hierbij wordt gebruikt is dat alles is ontstaan vanuit een oerknal – the big bang. De oerknaltheorie zegt dat het heelal uitdijt en om die reden op een bepaald moment in het verleden bijzonder klein was. Daar zat alle materie heel dicht op elkaar, waarbij door een oerknal of wat dan ook tijd en ruimte zijn ontstaan. Een simpele schatting voor de leeftijd van het heelal kun je maken door aan te nemen dat de uitdijing ook constant is over de leeftijd van het heelal – al weten we dat dit niet helemaal klopt. De vraag rijst dan: als een sterrenstelsel nu op een bepaalde afstand van ons af staat en met een bepaalde afstand van ons af lijkt te bewegen, hoe lang geleden zou dat sterrenstelsel dan hier op onze plaats in het heelal zijn geweest? De uitkomst die in het voorjaar van 2013 is getrokken op basis van de Europese ruimtetelescoop Planck is circa 13,8 miljard jaar oud, plus of min 50 miljoen jaar.
Ik merk overigens dat ik het nog niet helemaal begrijp als ik alles zo uittik. Jip jip… maar ik ben dan ook geen natuurkundige, maar puur en alleen iemand die erg nieuwsgierig is aangelegd. Tot zover!
De foto van de Melkweg in de banner van dit artikel is van Denis Degioanni
