Grootste ruimtevluchtconferentie van 2013 lanceert in Colorado

Waarom kan niets sneller reizen dan de snelheid van het licht? Zitten zwarte gaten echt? En waarom breidt het universum zich uit?

Dit zijn slechts een paar van de vragen die auteur en astrofysicus Jeffrey Bennett beantwoordt in zijn nieuwe boek 'What is Relativity' (Columbia University Press, 2014).

Op de 100th verjaardag van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, probeert het boek van Bennett zowel speciale als algemene relativiteit te verklaren in een vorm die een niet-expert zou kunnen begrijpen. [Boekfragment: "Wat is relativiteit"]

"Er zijn veel goede boeken over relativiteitstheorie, maar de meeste zijn gericht op een hoog niveau van begrip," vertelde Bennett aan ProfoundSpace.org. Hij wilde een inleiding geven in de ideeën die zelfs een slimme midden-schooler kon begrijpen.

Niets sneller dan licht

Bennett definieert relativiteit als een moderne wetenschappelijke verklaring van ruimte, tijd, zwaartekracht en het universum. Albert Einstein ontdekte twee dingen: de natuurwetten zijn voor iedereen hetzelfde en de snelheid van het licht is voor iedereen hetzelfde. Einstein ontdekte eerst de speciale relativiteitstheorie in 1905, maar speciale relativiteit is slechts een speciaal geval van algemene relativiteit dat geen zwaartekracht met zich meebrengt.

Einstein realiseerde zich dat de snelheid van het licht een constante snelheid van 186.000 mijl / seconde (300.000 kilometer / seconde) is, en dat niets hem kan overschrijden. Stel je een persoon voor die op een ruimteschip met koplampen reist. Het licht van de koplampen zou met dezelfde snelheid rijden, ongeacht of het schip was gestopt of bewogen, dus voor een waarnemer zou het schip langzamer moeten varen dan het licht, legde Bennett uit.

Reis naar een zwart gat

In zijn boek neemt Bennett lezers mee op een reis naar een zwart gat. Gezond verstand houdt in dat als de zon plotseling zou worden vervangen door een zwart gat, het de aarde en de andere planeten zou opzuigen. Niet zo, zei Bennett.

Omdat het dichtstbijzijnde zwarte gat zo ver weg is, zou een persoon dicht bij de snelheid van het licht moeten reizen om er binnen zijn of haar leven te geraken. Bij die snelheid komen allerlei vreemde effecten om de hoek kijken. Mensen op aarde zouden bijvoorbeeld meer tijd ervaren tijdens hun reis dan de reiziger, een fenomeen dat tijddilatatie wordt genoemd. Speciale relativiteitstheorie laat zien dat iedereen op aarde veel ouder zou zijn dan de reiziger wanneer hij of zij terugkeerde.

Zodra de reiziger het zwarte gat bereikt, in plaats van erin te worden gezogen, zou de reiziger er eenvoudig omheen draaien (tenzij hij of zij er vrijwel direct op was gericht). Een zwart gat heeft net als elk ander object de zwaartekracht. Maar heel dicht bij het zwarte gat wordt de zwaartekracht echt bizar. Als je bijvoorbeeld een klok in een zwart gat laat vallen, zou dit laten zien dat de tijd langzamer gaat en dat het licht van de klok er roder uitziet. Licht is een golf die op een bepaalde frequentie trilt, en rood licht heeft een lagere frequentie dan blauw licht. Omdat de tijd van de klok langzaam lijkt te lopen, heeft zijn lamp ook een lagere frequentie.

Stel je nu voor dat er een tweede reiziger is die uit het schip springt en in het zwarte gat valt. Vanuit zijn perspectief zou hij sneller en sneller vallen tot hij de vergetelheid bereikte. Maar vanuit het perspectief van de andere reiziger zou de vallende reiziger een eeuwigheid duren om de gebeurtenishorizon van het zwarte gat te bereiken, het punt waarop niets (zelfs geen licht) kan ontsnappen. Deze effecten, bekend als zwaartekrachtdilatatie, kunnen worden verklaard door Einsteins theorie van de algemene relativiteit.

Relativiteit in het dagelijks leven

Relativiteit lijkt vreemd, omdat het tegen gezond verstand ingaat. Maar in feite zijn de effecten van relativiteit altijd aanwezig; ze zijn gewoon niet merkbaar behalve bij extreme snelheden en extreme zwaartekracht, zei Bennett. Relativiteit is van cruciaal belang voor alles, van hoe de zon schijnt tot hoe GPS werkt. "Relativiteit zit in alles wat we doen in ons leven," zei hij.

Einstein's theorieën leverden de beroemde vergelijking E = mc op2, die laat zien hoe massa (m) kan worden omgezet in energie (E). Bijvoorbeeld, kernfusie in de kern van de zon zet waterstof om in helium en geeft zonlicht af.

GPS-satellieten cirkelen rond de aarde snel genoeg en ver genoeg weg om de tijd te vergroten vanwege zowel speciale als algemene relativiteit. Om nauwkeurig te kunnen werken, moet GPS corrigeren voor deze effecten.

Bennett hoopt dat zijn boek lezers zal overtuigen dat iedereen relativiteit kan begrijpen, zelfs zonder een achtergrond in de natuurkunde.

"Relativiteit heeft de reputatie hard te zijn, maar ik denk niet dat dit boek moeilijk is," zei hij.

Zwarte gaten zijn zo bizar dat ze onwerkelijk klinken. Toch hebben astronomen goed bewijs gevonden dat ze bestaan. Test je kennis van deze gekke wonderen.