Wat is de Ruimtetijd?

Gravity probe B meet de kromming van d eruimte-tijd rond de Aarde
Artist impression van de Gravity Probe B die de kromming van de ruimtetijd veroorzaakt door de Aarde meet. Credit: NASA

De ruimtetijd is een conceptueel model dat de drie dimensies van ruimte combineert met de vierde dimensie van tijd. Volgens de beste natuurkundige theorieën verklaart ruimtetijd de ongebruikelijke relativistische effecten die voortkomen uit reizen met de snelheid van bijna de lichtsnelheid en de beweging van massieve objecten in het heelal.

Wie ontdekte de ruimtetijd?

De beroemde natuurkundige Albert Einstein hielp bij het idee van ruimtetijd als onderdeel van zijn relativiteitstheorie. Voorafgaand aan zijn pionierswerk hadden wetenschappers twee afzonderlijke theorieën om fysische verschijnselen te verklaren: de natuurkundige wetten van Isaac Newton beschreven de bewegingen van massieve objecten en de elektromagnetische modellen van James Clerk Maxwell beschreven de eigenschappen van licht.

Maar experimenten die aan het einde van de 19de eeuw werden uitgevoerd suggereerden dat er iets speciaals aan de hand was met licht. Metingen toonden aan dat licht altijd met dezelfde snelheid reist, wat er ook gebeurt. In 1898 speculeerde de Franse natuurkundige en wiskundige Henri Poincaré dat de lichtsnelheid een niet te overtreffen limiet zou kunnen hebben. Rond dezelfde tijd dachten andere wetenschappers aan de mogelijkheid dat objecten in grootte en massa veranderden afhankelijk van hun snelheid.

Einstein bracht al deze ideeën samen in zijn speciale relativiteitstheorie uit 1905 waarin hij stelde dat de lichtsnelheid een constante was. Om dit waar te maken moesten ruimte en tijd worden gecombineerd in een enkel raamwerk dat er voor zorgde dat de lichtsnelheid voor alle waarnemers hetzelfde was.

Een persoon in een supersnelle raket zal meten dat de tijd langer gaat en dat voorwerpen kleiner zijn dan vergeleken met een persoon die met een veel langzamere snelheid beweegt. Dat komt omdat ruimte en tijd relatief zijn, ze zijn afhankelijk van de snelheid van de waarnemer. Maar de lichtsnelheid is fundamenteler dan beiden.

De conclusie dat de ruimte en tijd met elkaar zijn verbonden was er niet eentje van Einstein zelf. Dat idee was afkomstig van de Duitse wiskundige Hermann Minkowski die in 1908 in een colloquium stelde: “Voortaan is de ruimte op zichzelf, en de tijd op zichzelf, gedoemd om te vervagen in louter schaduwen en alleen een soort van vereniging van de twee zal een onafhankelijke realiteit behouden.”

De ruimtetijd die hij beschreef is nog steeds bekend als de “Minkowski ruimtetijd” en dient als achtergrond voor berekeningen in zowel de relativiteitstheorie als de kwantumveldentheorie. De laatste beschrijft de dynamiek van subatomaire deeltjes als velden.

Hoe de ruimtetijd werkt

Als mensen tegenwoordig praten over de ruimtetijd dan beschrijven ze die vaak uitgaande van een stuk rubber. Ook dit komt van Einstein die zich bij het ontwikkelen van zijn algemene relativiteitstheorie realiseerde dat de zwaartekracht het gevolg was van krommingen in het weefsel van de ruimte-tijd.

Zware objecten zoals de Aarde, Zon of jezelf, veroorzaken vervormingen in de ruimtetijd waardoor deze buigt. Deze krommingen beperken op hun beurt de manieren waarop alles in het heelal beweegt. Objecten moeten immers paden volgen langs deze krommingen van de ruimtetijd.

De Gravity Probe B van de NASA heeft in 2011 de vorm van deze kromming rond de Aarde gemeten en ontdekte dat deze heel goed overeenkomt met de voorspellingen van Einstein.

Maar veel van deze materie blijft voor mensen lastig te begrijpen. Hoewel we ruimtetijd bespreken als vergelijkbaar met rubber gaat de vergelijking uiteindelijk wel mank. Een rubberen plaat is tweedimensionaal terwijl de ruimtetijd vierdimensionaal is. De rubberen plaat vertegenwoordigt niet alleen de vervormingen in de ruimte maar ook de vervormingen in de tijd. De complexe vergelijkingen die worden gebruikt om dit alles te verklaren zijn zelfs voor natuurkundigen lastig om mee te werken.

Zoals astrofysicus Paul Sutter het ooit eens zei: “Einstein heeft ons een prachtige machine gegeven maar niet echt een gebruikershandleiding erbij gedaan”. De algemene relativiteitstheorie is zo complex dat als iemand een oplossing ontdekt door de vergelijkingen hij die oplossing naar hem krijgt vernoemd en degene zelf semi-legendarisch wordt.

Wat wetenschappers nog steeds niet weten

Ondanks zijn complexiteit blijft de relativiteitstheorie de beste manier om rekening te houden met de fysische verschijnselen die we kennen. Toch weten wetenschappers dat hun modellen onvolledig zijn omdat de relativiteitstheorie nog steeds niet volledig is samen te voegen met de quantummechanica die de eigenschappen van subatomaire deeltjes met uiterste precisie verklaart maar geen rekening houdt met de zwaartekracht.

De kwantummechanica berust op het feit dat de kleine stukjes waaruit het heelal bestaat discreet of gekwantiseerd (opgedeeld in kleinere stappen/pakketjes) zijn. Fotonen, de deeltjes waaruit licht bestaat, zijn als kleine brokjes licht die in kleine pakketjes voorkomen.

Sommige theoretici hebben gespeculeerd dat de ruimtetijd zelf misschien ook voorkomt in deze gekwantiseerde brokken waardoor de relativiteitstheorie en de kwantummechanica worden overbrugd. Onderzoekers van de ESA hebben de GRAILQuest-missie voorgesteld (Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time). Deze missie zou vanuit een baan om de Aarde ultra nauwkeurige metingen doen van verre, krachtige explosies in het heelal, genaamd “gamma ray bursts”, uitbarstingen van gammastraling, die de aard van de ruimtetijd van dichtbij zouden kunnen onthullen.

Als er inderdaad een dergelijke missie gaat komen dan zal die misschien helpen bij het oplossen van enkele van de grootste mysteries die nog in de natuurkunde zijn overgebleven.

Eerste publicatie: 15 januari 2021
Bron: Livescience