Dit artikel is geschreven door David Lyth van Lancaster University en is oorspronkelijk gepubliceerd door The Conversation.

Zwaartekracht bindt ons lichaam aan de planeet aarde, maar bepaalt niet de grenzen van de stijgende menselijke geest. In november 1915 – precies een eeuw geleden – werd bewezen dat dit waar was toen Albert Einstein, in een reeks lezingen aan de Pruisische Academie van Wetenschappen, een theorie presenteerde die onze kijk op de zwaartekracht – en de natuurkunde zelf – radicaal zou veranderen. Twee eeuwen lang had Newtons opmerkelijk eenvoudige en elegante theorie van de universele gravitatie de zaak goed lijken te verklaren. Maar, zoals steeds vaker het geval is in de natuurkunde, is eenvoudig gewoon niet meer genoeg.

Einsteins uitgangspunt voor de algemene relativiteit was zijn speciale relativiteitstheorie, gepubliceerd in 1905. Hierin werd uitgelegd hoe de wetten van de natuurkunde bij afwezigheid van zwaartekracht konden worden geformuleerd. Centraal in beide theorieën staat een beschrijving van ruimte en tijd die afwijkt van wat het gezond verstand zou suggereren.

De theorieën leggen uit hoe beweging tussen verschillende plaatsen die zich met constante snelheden ten opzichte van elkaar verplaatsen, moet worden geïnterpreteerd – en niet ten opzichte van een soort absolute ether (zoals Newton had aangenomen). Hoewel de wetten van de fysica universeel zijn, zegt de theorie, zullen verschillende toeschouwers de timing van gebeurtenissen anders zien, afhankelijk van hoe snel ze reizen. Een gebeurtenis die vanaf de aarde 1000 jaar lijkt te duren, kan voor iemand in een ruimtevaartuig dat met grote snelheid reist, slechts een seconde lijken te duren.

De kern van Einsteins theorieën is het feit dat de snelheid van het licht onafhankelijk is van de beweging van de waarnemer die de snelheid meet. Dit is vreemd, want je gezonde verstand zegt dat als je in je auto langs een spoorlijn zit, een voorbijrijdende trein veel sneller lijkt te gaan dan wanneer je hem in dezelfde richting volgt.

Als je in plaats daarvan naar een voorbijrijdende lichtstraal zit te kijken, zou die zich even snel verplaatsen, of je hem nu volgt of niet – een duidelijke aanwijzing dat er iets mis is met je gezonde verstand.

De implicatie van deze theorie is dat we het idee moeten opgeven dat er een universele tijd bestaat, en moeten accepteren dat de tijd die door een klok wordt geregistreerd afhankelijk is van het traject dat de klok door het heelal aflegt. Dit betekent ook dat de tijd langzamer verstrijkt als je snel gaat, wat betekent dat een tweeling die naar de ruimte gaat langzamer zal verouderen dan zijn broer of zus op aarde.

Deze ‘tweelingparadox’ lijkt misschien een wiskundige gril, maar hij werd in 1971 experimenteel geverifieerd in een experiment met atoomklokken op commerciële vluchten.

De speciale relativiteit werkt alleen voor inertiale kaders die ten opzichte van elkaar bewegen als ze met constante snelheid bewegen – hij kan niet beschrijven wat er gebeurt als ze versnellen. Einstein vroeg zich af hoe hij de relativiteit kon uitbreiden tot dergelijke versnellingen en hoe hij rekening kon houden met de zwaartekracht, die versnelling veroorzaakt en per slot van rekening overal aanwezig is.

Hij realiseerde zich dat het effect van de zwaartekracht verdwijnt als men niet probeert die te overwinnen. Hij stelde zich mensen in een lift voor waarvan de kabel in vrije val was gebroken en bedacht dat, aangezien de voorwerpen ofwel onbeweeglijk ofwel met constante snelheid zouden zweven, de mensen de zwaartekracht niet zouden voelen. Maar tegenwoordig weten we dat dit waar is, omdat we het zelf hebben gezien bij mensen in het internationale ruimtestation. In beide gevallen zijn er geen krachten die het effect van de zwaartekracht tegenwerken en ervaren de mensen geen zwaartekracht.

Gekromde ruimte-tijd. Mopic

Einstein besefte ook dat het effect van de zwaartekracht hetzelfde is als het effect van de versnelling; wegrijden met hoge snelheid duwt ons achteruit, net alsof de zwaartekracht aan ons trekt. Deze twee aanwijzingen leidden Einstein tot de algemene relativiteit. Terwijl Newton de zwaartekracht had gezien als een kracht die zich tussen lichamen voortplantte, beschreef Einstein de zwaartekracht als een pseudo-kracht die wordt ervaren doordat het hele weefsel van ruimte en tijd zich om een massief voorwerp heen buigt.

Einstein zelf zei dat zijn weg verre van gemakkelijk was. Hij schreef: “In mijn hele leven heb ik lang niet zo hard gewerkt, en ik ben doordrongen geraakt van een groot respect voor de wiskunde, waarvan ik het subtielere deel in mijn eenvoud tot nu toe als pure luxe had beschouwd”.

Het bewijs

Zodra Einstein de algemene relativiteit ontdekte, realiseerde hij zich dat deze het falen van Newtons theorie om de omloopbaan van Mercurius te verklaren, verklaarde. De baan is niet helemaal cirkelvormig, wat betekent dat er een punt is waarop Mercurius het dichtst bij de zon komt. Volgens Newtons theorie ligt dit punt vast, maar uit waarnemingen blijkt dat het langzaam rond de zon draait en Einstein ontdekte dat de algemene relativiteit de draaiing correct beschrijft.

“Ik was buiten mezelf van vreugdevolle opwinding,” schreef hij een paar maanden later. Sindsdien heeft de algemene relativiteit vele waarnemingstests glansrijk doorstaan.

U maakt gebruik van de algemene relativiteit wanneer u het GPS-systeem inschakelt om uw positie op het aardoppervlak te bepalen. Dat systeem zendt radiosignalen uit van 24 satellieten en de GPS-ontvanger in uw telefoon of auto analyseert drie of meer van deze signalen om uw positie te bepalen met behulp van de algemene relativiteit. Als u de theorie van Newton had gebruikt, zou het GPS-systeem de verkeerde positie hebben gegeven.

Maar terwijl de algemene relativiteit goed werkt om de fysieke wereld op grote schalen te beschrijven, heeft de kwantummechanica zich ontpopt als de meest succesvolle theorie voor minuscule deeltjes, zoals die waaruit een atoom bestaat. Net als de relativiteitstheorieën is de kwantummechanica contra-intuïtief. Of het mogelijk is de twee te verenigen valt nog te bezien, maar het is onwaarschijnlijk dat het gezond verstand weer in de natuurkunde wordt geïntroduceerd.

David Lyth, Professor Emeritus of Physics, Lancaster University.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd door The Conversation. Lees het oorspronkelijke artikel.