Einstein's True Biggest Blunder (Op-Ed)

Don Lincoln is een senior wetenschapper bij Fermilab, het grootste Amerikaanse onderzoekscentrum voor Large Hadron Colliders. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, waaronder zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Blow Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Je kunt hem volgen op Facebook. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan Professionele voices van ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights

Het is een eeuw geleden dat Albert Einstein zijn eerste kranten publiceerde waarin hij zijn bekroonde intellectuele prestatie, de theorie van de algemene relativiteitstheorie, uiteenzet. Deze theorie toonde aan dat de ruimte kneedbaar was en kon verdraaien en vervormen onder invloed van materie. Aangezien a) de vorm van de ruimte wordt beïnvloed door de verdeling van materie en energie, en b) materie beweegt, betekent dit verder dat de vorm van de ruimte dynamisch is - draaien en buigen en veranderen met de tijd. Dit idee was echt revolutionair.

Vroeger waren de implicaties van deze theorie niet helemaal duidelijk en ontbraken de nodige gegevens. Dit leidde tot wat miscues en veranderingen in de theorie die asscientisten van die tijd meer begrip ontwikkelden. Eén zo'n incident is bijzonder interessant.

De weerzinwekkende kosmologische constante

Terwijl Einstein de eerste artikelen schreef die de relativiteitstheorie beschrijven in november 1915 als een basale theorie van de zwaartekracht, pasten hij en anderen de theorie al snel toe op het gedrag van het universum als geheel. Een van de eerste implicaties is dat, omdat alle materie alle andere materie aantrekt, een statisch universum niet lang statisch zal blijven. De aantrekkingskracht zou ervoor zorgen dat alle materie in één enkel punt zou instorten. En zelfs als iemand niet zou beginnen met een statisch universum, zou de massadistributie van het universum moeten evolueren.

Het was een vooroordeel van de tijd dat het universum constant en eeuwig was, voor altijd onveranderlijk - tenminste op de grootste niveaus. Dit bracht Einstein ertoe een term toe te voegen aan zijn oorspronkelijke vergelijkingen in 1917. Hoewel de oorspronkelijke formulering van de algemene relativiteitstheorie alleen de aantrekkelijke vorm van zwaartekracht omvatte, was deze nieuwe term, de kosmologische constante, een weerzinwekkende term. De aantrekkelijke en afstotelijke vormen van de zwaartekracht konden worden afgestemd om elkaar in balans te brengen, resulterend in een stationaire en onveranderlijke kosmos.

De situatie veranderde met de bouw van een krachtige telescoop - de Hooker-telescoop op Mt. Wilson - kort nadat Einstein zijn zwaartekrachtvergelijkingen opgeschreven had. Hoewel Edwin Hubble vaak wordt gecrediteerd met het bepalen dat sterrenstelsels zich verwijderen van de Melkweg, is het eigenlijke verhaal veel gecompliceerder. Astronomen bespraken de situatie al in de vroege jaren twintig van de vorige eeuw.

In 1929 publiceerde Hubble echter een paper waarin hij vaststelde dat niet alleen sterrenstelsels zich van de Melkweg verwijderden, maar dat verder weggelegen sterrenstelsels ook sneller achteruitgingen. Dat wil zeggen, het universum was niet statisch. Het was aan het uitbreiden. Deze observatie (en die voorafgaand aan Hubble's papier) leidde de Belgische priester Georges Lemaître om in 1931 voor te stellen dat het universum ontstond uit een kleine en compacte staat, wat hij een "Kosmisch Ei" noemde en wat nu de Big Bang wordt genoemd.

Met het besef dat zijn eerdere vooroordelen over een onveranderlijke kosmos verkeerd waren, verwijderde Einstein de kosmologische constante uit zijn vergelijkingen. Hij werd door fysicus George Gamow gerapporteerd als die zijn "grootste blunder" noemde. Er is echter enige discussie over de vraag of deze term afkomstig is van Einstein of van Gamow, een beruchte zwendel.

Maar of Einstein ook de beroemde slogan uitsprak, hij had er zeker spijt van de term toe te voegen en vond dat het verwijderen van het juiste was. Zonder een statisch universum was er simpelweg geen behoefte aan de toevoeging aan zijn oorspronkelijke vergelijkingen. En dit werd beschouwd als de stand van de techniek voor bijna 70 jaar: het universum groeide.

Een scherpere blik op het universum

Tijdens de middenjaren van de 20e eeuw bespraken astronomen het lot van het universum. Als het universum zou beginnen in de dichtere staat zoals gesuggereerd door de Big Bang-theorie en zich uitbreidde, dan zou de zwaartekracht de expansie moeten vertragen. Het was een open vraag of zwaartekracht de uitbreiding zou overwinnen (resulterend in een "Big Crunch") of voor altijd zou uitbreiden - maar het feit dat de expansie moest vertragen, leek onbetwistbaar.

Hoewel er eerder hints waren, was het in 1998 dat twee experimenten die de vraag bestudeerden het antwoord aankondigden, en het was nogal een verrassing. De uitbreiding van het universum vertraagde niet. Het versnelde! Voor deze observatie deelde Brian Schmidt van het Stromolo Observatorium van de Australische Nationale Universiteit, Adam Riess van de Universiteit van Californië, Berkeley en Saul Perlmutter van het Lawrence Berkeley National Laboratory de Nobelprijs 2011 in de natuurkunde. De versnellende expansie is bevestigd en wordt nu als een vaststaand feit beschouwd.

Maar die observatie leidde tot een voor de hand liggende vraag: als, volgens de theorie van algemene relativiteitstheorie van Einstein, de zwaartekracht een aantrekkelijke kracht is, wat zou dan verantwoordelijk kunnen zijn voor de versnellende expansie? Wat zou de kwestie van het universum uit elkaar kunnen duwen? Was het tijd voor de kosmologische constante van Einstein om een ​​renaissance te ervaren?

Welnu, het korte antwoord is ja. En nee. En misschien.

Om de waarneming te verklaren, zeggen wetenschappers nu dat zoiets als de kosmologische constante noodzakelijk is. Maar het kan wel of niet de feitelijke kosmologische constante zijn die Einstein voorstelde.

Voer kwintessens in

Astronomen gebruiken de term 'donkere energie' om een ​​energieveld in het universum te beschrijven dat in feite een afstotelijke vorm van zwaartekracht is. Telescoopobservaties tonen aan dat dit energieveld momenteel de meer bekende vorm van aantrekkelijke zwaartekracht door het universum heen overweldigt, wat leidt tot de versnellende expansie.

Dus wat weten wetenschappers over deze donkere energie? Een vraag is of het constant is of verandert. De kosmologische constante van Einstein is een gebied met een constante energiedichtheid. Dit is een beetje contra-intuïtief, omdat een constante dichtheid en het uitdijende volume van het universum een ​​toenemende energie betekent, maar dit is toegestaan ​​binnen de regels van algemene relativiteit. Aan de andere kant is er a priori geen reden om donkere energie constant te houden. Er is dus een andere vorm van donkere energie voorgesteld, genaamd 'kwintessens'. Quintessence is een soort donkere energie die met de tijd kan veranderen.

Terwijl wetenschappers ervan overtuigd zijn dat er duistere energie moet bestaan, is er een open debat over de aard ervan. Is het constant, of varieert het met de tijd - is het de kosmologische constante of kwintessens? En, natuurlijk, met een kwestie van deze omvang, hebben onderzoekers een krachtig experimenteel programma ondernomen om de antwoorden te vinden.

The Dark Energy Survey is een ambitieuze poging om de aard van donkere energie te begrijpen. Door de snelheid van extreem verre sterrenstelsels en supernovae te meten, zullen deze wetenschappers hopelijk in staat zijn om dit belangrijke mysterie te beantwoorden. En het antwoord heeft echt kosmische implicaties.

Afhankelijk van of kwintessens of de kosmologische constante het juiste antwoord is, kunnen er verschillende verhalen zijn over hoe het universum zal eindigen.

Duistere energie bestaat vrijwel zeker en werd door Einstein bijna een eeuw voor zijn ontdekking verwacht. Het verhaal van hoe hij het heeft toegevoegd en vervolgens uit zijn theorie heeft verwijderd, is vaak verteld en er wordt gezegd dat hij de tijdelijke inclusie betreurde. Meer dan 80 jaar nadat Einstein besloot dat de kosmologische constante een fout was, is het duidelijk dat zoiets moet bestaan ​​- de verwijdering was de echte fout.

In een ironische draai was het misschien wel zo dat het verwijderen van deze innovatieve energieterm uit zijn vergelijking Einsteins feitelijk grootste blunder was.

Lees meer over het werk van Lincoln op zijn Expert Voices-bestemmingspagina.