Totale zonsverduistering bewees het gelijk van Einstein

Zonsverduistering 29 mei 1919
Deze foto is van de zonsverduistering van 29 mei 1919 en toont één van de sterren die gebruikt werden om de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein te bevestigen. De rode punt toont de positie waar de ster had moeten staan als er geen kromming van de ruimte-tijd was opgetreden. Credit: Royal Observatory, Greenwich

Op 21 augustus 2017 zal er in de Verenigde Staten een totale zonsverduistering zichtbaar zijn. De verduistering is van kust tot kust te volgen. Nu komen zonsverduisteringen met enige regelmaat voor en is deze verduistering dus geen uitzondering maar het biedt wel de gelegenheid eens naar een belangrijk experiment te kijken dat ooit werd uitgevoerd tijdens een zonsverduistering en dat de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein volledig ondersteunde. Volgens de Europese ruimtevaartorganisatie ESA was dit de belangrijkste zonsverduistering in de geschiedenis van de wetenschap. Dat historische experiment werd uitgevoerd op 29 mei 1919, nu 98 jaar geleden.

Newton versus Einstein

In 1915 publiceerde Einstein vier baanbrekende publicaties die zijn algemene relativiteitstheorie introduceerden. Maar in die tijd was de Duitse theoretisch natuurkundige nauwelijks bekend bij het publiek en leden van de wetenschappelijke gemeenschap bestreden zijn nieuwe theorie krachtig. In die tijd was het model van de klassieke mechanica dat Isaac Newton in 1687 in zijn boek “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” beschreef, leidend en het werk van Einstein werd uitermate sceptisch ontvangen.

Een van de grondbeginselen van de algemene relativiteitstheorie is dat de ruimte niet statisch is. De bewegingen van objecten kunnen de structuur van de ruimte veranderen. Dit in tegenstelling tot het Newtoniaanse beeld over het heelal dat zegt dat de ruimte inert is.

In Einsteins visie wordt de ruimte gecombineerd met een andere dimensie – de tijd – die een alles omspannend weefsel vormt dat hij de ruimte-tijd noemde. Een object reist door dit weefsel dat gekromd, verbogen en verdraaid kan worden door de massa’s en de bewegingen van objecten binnen de ruimte-tijd.

Een voorbeeld van waar deze theorieën niet met elkaar overeenkomen is de invloed van de zwaartekracht op licht. Ofschoon de klassieke dynamica voorspelt dat de zwaartekracht van een ster het pad van een foton kan afbuigen zag Einstein dit als een ruwe benadering van wat er werkelijk gaande was. Het was volgens hem niet de zwaartekracht van de ster die aan het foton trok (zoals Newton het zag) maar het was de ster die een kromming in de ruimte creëerde vergelijkbaar met een kegelbal die over een matras rolt en daar een afdruk in veroorzaakt. Het foton is als een bal die over de matras rolt en simpelweg de kromming volgt. Vanuit het zicht van het foton reist die steeds in een rechte lijn; het is de kromming van de ruimte-tijd die de afbuiging veroorzaakt. De zwaartekracht is daarom een manifestatie van de kromming van de ruimte.

Alle massa’s veroorzaken een kromming van de ruimte-tijd maar het effect is maar heel klein en om de theorie van Einstein te testen zouden hele zware objecten zoals sterren nodig zijn. Tegenwoordig kijken astronomen ver de ruimte in om massieve objecten zoals sterrenstelsels waar te nemen als ze de ruimte-tijd krommen en het pad van passerende fotonen veranderen. Dit effect wordt een zwaartekrachtlens genoemd. Het licht van objecten die zich achter het massieve object bevinden verschijnt hierdoor op een andere locatie aan de hemel.

Maar dergelijke waarnemingen waren in het begin van de 20-ste eeuw helemaal niet mogelijk. Europa was verwikkeld in een oorlog en het werk van Einstein bleef daardoor voornamelijk beperkt tot het Duitse taalgebied. Zonder de mogelijkheid om experimenteel zijn theorie te testen zou zijn idee mogelijk zijn verstoft op een boekenplank. Gelukkig volgde de Engelse astronoom Sir Arthur Eddington de nieuwe ideeën van Einstein. Hij werd via de Nederlandse natuurkundige Wiillem de Sitter (Nederland was neutraal tijdens de Eerste Wereldoorlog) op de hoogte gehouden en hij realiseerde zich dat hij een experiment kon leiden om de nieuwe theorie van Einstein te testen.

De eclipstest

Omdat de Zon het zwaarste object in ons zonnestelsel is, is daar de kromming van de ruimte-tijd het beste zichtbare voorbeeld in onze nabijheid. Maar om Einsteins theorie te testen moesten de astronomen de posities van de achtergrondsterren in de nabijheid van de zonnerand bestuderen. Omdat de Zon zo helder is is dit alleen maar mogelijk tijdens een zonsverduistering.

De zonsverduistering van 1919

Einstein en Eddington
Einstein en Eddington in 1930

Tijdens een totale zonsverduistering bevindt de Maan zich direct voor de Zon waarbij het zonlicht volledig wordt geblokkeerd. Deze gebeurtenissen gaven aardbewoners al voor de uitvinding van de telescoop een eerste blik op de magnetosfeer – de corona – van de Zon. De Maan dient als een filter dan het licht van de Zon blokkeert waardoor structuren als de zwakke gloed van het gas van de corona zichtbaar wordt.

In 1917 had Sir Frank Watson Dyson, de Koninklijke Astronoom van Engeland een experiment bedacht dat tijdens een zonsverduistering de positie van de achtergrondsterren in de buurt van de rand van de Zon zou bepalen. Dit experiment zou twee jaar later onder leiding van Eddington uitgevoerd worden. Als tijdens de verduistering in 1919 de posities van de sterren nauwkeurig bepaald konden worden en daarna vergeleken met hun normale posities aan de hemel dan zouden de effecten van een gekromde ruimte-tijd waargenomen kunnen worden. Als de positie van de sterren zou veranderen op de manier waarop de theorie van Einstein dat voorspelde dan zou dit precies de test zijn die de algemene relativiteitstheorie nodig zou hebben. Eddington besefte hoogstwaarschijnlijk drommels goed dat als deze test de algemene relativiteitstheorie zou bevestigen dit ook het newtoniaanse heelal volledig op zijn kop zou zetten.

Onder leiding van Eddington organiseerden de Royal Society en de Royal Astronomical Society expedities naar Brazilië en naar het eiland Principe ten westen van de kust van Afrika waar de totale verduistering zichtbaar zou zijn. Heel toevallig was de totale verduistering van 1919 een van de langste die in de 20-ste eeuw zichtbaar waren. De verduistering duurde in totaal rond de 6 minuten. Dit bleek ruim voldoende tijd te zijn voor de astronomen om de relatieve locaties van de sterren van de Hyaden in de buurt van de rand van de Zon te bepalen.

Ofschoon de gekromde ruimte-tijd het sterlicht maar een heel klein beetje deed afbuigen bleek uit de waarnemingen in Brazilië en Principe dat de voor de algemene relativiteitstheorie voorspelde afbuigingen overeenkwamen met de waarnemingen. De kromming van de ruimte-tijd bestond echt en het onveranderlijke heelal van Newton was vervangen door een nieuwe theorie. Toen de New York Times op 7 november 1919 dit publiceerde betekende dit de grote doorbraak voor Einstein.

Sinds deze belangrijke zonsverduistering, nu 98 jaar geleden, is de algemene relativiteitstheorie op verschillende manieren getest en steeds is gebleken dat de kromming van de ruimte-tijd hoort bij het heelal waarin we leven.

Eerste publicatie: 20 augustus 2017
Bron: space.com