Einstein en de Algemene Relativiteitstheorie

De algemene relativiteitstheorie is de theorie van de natuurkundige Albert Einstein van hoe zwaartekracht het weefsel van de ruimtetijd beïnvloedt.

De theorie die Einstein in 1915 publiceerde, breidde de Speciale Relativiteitstheorie uit die hij 10 jaar eerder had gepubliceerd. De speciale relativiteitstheorie beweerde dat ruimte en tijd onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Maar die theorie erkende het bestaan van de zwaartekracht niet.

Einstein bracht het decennium tussen de twee publicaties door om te bepalen dat bijzonder massieve objecten het weefsel van de ruimtetijd vervormen, een vervorming die zich, volgens NASA, manifesteert als zwaartekracht.

Albert Einstein in1905
1905 werd bekend als het Magische Einstein Jaar. Hij publiceerde toen vier artikelen die de wetenschap drastisch zouden veranderen.

Hoe werkt algemene relativiteit?

Om de algemene relativiteitstheorie te begrijpen beginnen we eerst met de zwaartekracht; de aantrekkingskracht die twee objecten op elkaar uitoefenen. Sir Isaac Newton kwantificeerde de zwaartekracht in dezelfde tekst waarin hij zijn drie bewegingswetten formuleerde de “Principia”.

De zwaartekracht tussen twee lichamen hangt af van hoe zwaar elk lichaam is en hoever de twee uit elkaar liggen. Zelfs als het middelpunt van de Aarde je ernaartoe trekt (je stevig op de grond houdt), trekt je massamiddelpunt zich terug van de Aarde. Maar het massievere lichaam voelt nauwelijks de ruk van je, terwijl je met je veel kleinere massa stevig geworteld bent dankzij diezelfde kracht. Toch gaan de wetten van Newton ervan uit dat zwaartekracht een aangeboren kracht is van een object die over een afstand kan werken

Albert Einstein stelde in zijn speciale relativiteitstheorie vast dat de natuurwetten hetzelfde zijn voor alle niet-versnellende waarnemers en hij toonde aan dat de lichtsnelheid in een vacuüm hetzelfde is ongeacht de snelheid waarmee de waarnemer reist.

Als resultaat ontdekte hij dat ruimte en tijd verweven waren tot een enkel continuüm dat bekend staat als de ruimtetijd. En gebeurtenissen die voor de ene waarnemer tegelijkertijd plaatsvinden kunnen voor een andere waarnemer op verschillende tijdstippen plaatsvinden.

Toen hij de vergelijkingen voor zijn algemene relativiteitstheorie uitwerkte realiseerde Einstein zich dat massieve objecten een vervorming in de ruimtetijd veroorzaken. Stel je voor dat je een groot object in het midden van een trampoline plaatst. Het voorwerp zou de stof indrukken waardoor er een kuil ontstaat. Als je vervolgens probeert een knikker rond de rand van de trampoline te rollen dan zou de knikker naar binnen in de richting van het object rollen, op ongeveer dezelfde manier als de zwaartekracht van een planeet trekt aan de rotsen in de ruimte.

Experimenteel bewijs voor de algemene relativiteit

In de decennia sinds Einstein zijn theorieën publiceerde hebben wetenschappers talloze fenomenen waargenomen die overeenkomen met de voorspellingen van de relativiteitstheorie.

Zwaartekrachtlensing

Licht buigt af rond een massief object, zoals een zwart gat, waardoor het fungeert als een lens voor de dingen die erachter liggen. Astronomen gebruiken deze methode routinematig om sterren en sterrenstelsels achter massieve objecten te bestuderen.

Het Einstein Kruis in Pegasus
Het Einstein Kruis in Pegasus. Stephans Quintet in Pegasus. By NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team – http://www.hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2009/25/image/x/ (direct link), Public Domain, Link

In gevallen zoals het Einstein Kruis verschijnen de afbeeldingen van het gravitationeel gelenste object gelijktijdig, maar dat is niet altijd het geval. Wetenschappers zijn er ook in geslaagd om lensvoorbeelden waar te nemen waarbij het licht, omdat het om het object reist, verschillende paden van verschillende lengtes aflegt, zodat er verschillende beelden arriveren zoals in het geval van een bijzonder interessante supernova.

Veranderingen in de baan van Mercurius

Als gevolg van de kromming in de ruimtetijd rond de massieve Zon verandert in de loop van de tijd heel langzaam de baan van Mercurius. Over een paar miljard jaar kan deze wiebeling er zelfs voor zorgen dat de binnenste planeet in botsing komt met de Zon of een planeet.

Frame-dragging van ruimtetijd rond draaiende objecten

De rotatie van een zwaar object, zoals bijvoorbeeld de Aarde, zou de ruimtetijd eromheen moeten draaien en vervormen. In 2004 lanceerde NASA de Gravity Probe-B. Volgens NASA dreven de assen van de nauwkeurig gekalibreerde gyroscopen van de satelliet in de loop van de tijd heel licht af, een resultaat dat overeenkwam met de theorie van Einstein.

Stel je de Aarde voor alsof ze helemaal in honing is ondergedompeld. Terwijl de planeet draait zou de honing eromheen moeten wervelen en dat is hetzelfde met de ruimte en de tijd. Gravity Probe-B bevestigde twee van de meest diepgaande voorspellingen van het heelal van Einstein, met verstrekkende gevolgen voor het astrofysisch onderzoek

Gravitationele roodverschuiving

De elektromagnetische straling van een object wordt binnen een zwaartekrachtsveld iets uitgerekt. Denk aan geluidsgolven die afkomstig zijn van een sirene op een hulpverleningsvoertuig; als het voertuig naar de waarnemer toe beweegt worden de geluidsgolven samengedrukt maar als het van de waarnemer weg beweegt dan worden ze uitgerekt oftewel roodverschoven. Dit is bekend als het Doppler-effect. Dit fenomeen doet zich ook voor bij lichtgolven op alle frequenties.

In de Jaren ’60 schoten de natuurkundigen Robert Pound en Glen Rebka aan de universiteit van  Harvard gammastraling eerst naar beneden en vervolgens naar de zijkant van een toren. Ze ontdekten dat de gammastraling enigszins van frequentie veranderde als gevolg van vervormingen veroorzaakt door de zwaartekracht.

Zwaartekrachtgolven

Einstein voorspelde dat krachtige gebeurtenissen, zoals het botsen van twee zwarte gaten, rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaken die bekend staan als zwaartekrachtsgolven. In 2016 lukte het met het Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) voor het eerst een dergelijk signaal vast te leggen.

Die detectie vond plaats op 14 september 2015. LIGO, bestaande uit twee faciliteiten in Louisiana en Washington, had net een upgrade ondergaan. Men was nog bezig om het instrument opnieuw te kalibreren voor ze online zouden gaan. De eerste detectie was zo groot dat het team verschillende maanden nodig had om zichzelf ervan te overtuigen dat het signaal echt was en geen afwijking in het instrumentarium.

Sindsdien hebben wetenschappers in rap tempo zwaartekrachtgolven opgevangen. Momenteel hebben LIGO en zijn Europese tegenhanger Virgo al ruim 50 zwaartekrachtgolfgebeurtenissen waargenomen.

Onder die botsingen ook ongewone gebeurtenissen zoals een botsing met een object dat wetenschappers niet thuis kunnen brengen als een zwart gat of een neutronenster, samensmeltende neutronensterren begeleidt door een heldere explosie, misplaatste botsende zwarte gaten en meer.

Eerste publicatie: 20 mei 2022
Bron: space.com en anderen