Een eeuw lang schieten op Einsteins meesterwerk

Een zonsverduistering is een zeldzaam en fantastisch schouwspel, maar die van 29 mei 1919 zorgde voor extra opwinding. Zeker voor de Britse wetenschapper Arthur Eddington. Hij had een plan bedacht om een wetenschappelijke twist tussen twee titanen te beslechten. Niet dat Isaac Newton en Albert Einstein echt ruzie hadden, ze leefden immers eeuwen uit elkaar, maar hun theorieën deden verschillende voorspellingen over hoe sterk zwaartekracht lichtstralen afbuigt.

De algemene relativiteitstheorie had weliswaar goede voorspellingen gedaan over vreemde afwijkingen in de baan van de planeet Mercurius, algemeen geaccepteerd was de theorie nog allerminst. Veel wetenschappers hingen wat dat betreft nog de 17de-eeuwse wetten van Newton aan.

Eddington had het perfecte experiment in gedachten. Hij wilde testen hoe de zon – verreweg het zwaarste object in het zonnestelsel – licht van sterren op de achtergrond buigt. Sterren net naast de zon zouden door haar zwaartekracht namelijk een klein beetje verschuiven. En aangezien Einsteins theorie een twee keer zo grote verschuiving voorspelde als die van Newton zou een nauwkeurige meting de doorslag geven.

Een zonsverduistering was de uitgelezen kans: normaal gesproken maakt de helderheid van de zon zo’n meting onmogelijk. Maar dat probleem verdwijnt op het moment dat de maan voor de zon schuift. En dat stond te gebeuren op 29 mei 1919.

In zijn experiment wilde Eddington de zwaartekrachtinvloed van de zon waarnemen op sterlicht uit de heldere sterrenhoop van de Hyaden. De algemene relativiteitstheorie voorspelde een minuscule verschuiving van zo’n 1,75 boogseconden (dat komt neer op de dikte van een haar op bijna 40 meter afstand). Maar de wetten van Newton voorspelden zelfs een nóg kleiner effect.

Twee wetenschappelijke teams gingen op pad om de zonsverduistering te zien. Het ene team trok naar Sobral in Brazilië, het andere naar het eiland Principe voor de kust van West-Afrika. Uiteindelijk noteerden de expedities verschuivingen van 1,6 en bijna 2 boogseconden. Eddington publiceerde zijn resultaten op 6 november van dat jaar, en ze vormden voor veel wetenschappers hét bewijs dat Einstein gelijk had. Het nieuws haalde zelfs de voorpagina’s van kranten over de hele wereld. De algemene relativiteitstheorie had van Einstein een beroemdheid gemaakt.

Enorme rekenpartij

Maar wat had Einstein dan precies bedacht? Om dat uit te leggen ontkomen we niet aan een kleine les natuurkunde. De nu precies honderd jaar oude algemene relativiteitstheorie borduurt eigenlijk voort op Einsteins tien jaar oudere speciale relativiteitstheorie. Daarin stelde hij dat het eigenlijk niet uitmaakt hoe snel een waarnemer zich verplaatst, de natuurwetten zijn altijd hetzelfde.

Naar zo’n verandering speuren zwaartekrachtgolfdetectoren als LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in de Verenigde Staten en Virgo in Italië. De detectoren bestaan uit twee kilometerslange en loodrechte armen met krachtige lasers die elkaar in het midden precies uitdoven. Op het moment dat de frequentie van een van die laserstalen ook maar een fractie verandert dan is dat te merken op het punt dat de stralen elkaar raken: ze doven elkaar heel even niet meer uit.

Beide observatoria hebben al een jarenlange meetcampagne achter de rug, waarin ze geen enkele zwaartekrachtgolf hebben gedetecteerd. Maar de betrokken wetenschappers laten het daar niet bij zitten. “Dit jaar gaat een verbeterde LIGO al meten, en een jaar later is ook de Virgo-upgrade klaar”, zegt Nelemans. “In 2019 hebben ze hun maximale gevoeligheid. Dan moeten ze toch echt wel iets gaan meten, want het is onwaarschijnlijk dat we nóg gevoeligere detectoren nodig hebben.”

Ik ga op reis en neem mee: een atoomklok

Misschien is het rekken van de tijd wel de vreemdste implicatie van Einsteins werk. Klopt dat wel echt, moeten Joseph Hafele en Richard Keating zich ruim veertig jaar geleden hebben afgevraagd. Samen deden ze in 1971 het meest praktische experiment voor de relativiteitstheorie. Op een moment dat de relativiteitstheorie overigens al lang en breed geaccepteerd was onder wetenschappers.

Als twee sterrenstelsels vanaf de aarde gezien precies op één lijn staan dan kan het voorste object licht van het achterste stelsel zo buigen dat het als een ring om het voorste object zichtbaar wordt. Einstein schreef in 1936 in een publicatie: ‘Natuurlijk is er geen hoop dat we dit fenomeen ooit direct zullen waarnemen’. Hij kreeg ongelijk, want hij hield alleen rekening met dit effect bij sterren. Maar tegenwoordig is er een tiental (gedeeltelijke) Einsteinringen bekend, veroorzaakt door (clusters van) sterrenstelsels.

Ook is de algemene relativiteitstheorie merkbaar in de ‘kleuren’ van verre sterrenstelsels. Als licht van een omgeving met een sterke zwaartekracht naar een laag zwaartekrachtveld gaat, wordt de golflengte van het licht groter. Het licht wordt als het ware iets naar het rood verschoven, vandaar de naam gravitationele roodverschuiving. Licht uit het zware centrum van clusters van sterrenstelsels zien we daarom iets ‘roder’ dan licht van de rand van zo’n cluster.

De algemene relativiteitstheorie heeft de afgelopen honderd jaar een groot aantal tests doorstaan, en keer op keer slaagde Einstein met vlag en wimpel. Toch gaan detectoren als LIGO en VIRGO het vuur opnieuw na aan de schenen leggen van de theorie. Nelemans zegt dat het de theorie gaat testen op gebieden waar zij nog nooit op de proef is gesteld.

“Eigenlijk zijn alle tests tot nu toe gedaan met objecten die minder dan een procent van de lichtsnelheid gingen”, zegt hij. “Einstein zegt nu juist dat het interessant wordt wanneer objecten richting de lichtsnelheid gaan, want dan worden de effecten veel groter. Het échte karakter van de relativiteitstheorie laat zich zien bij hoge energieën, dat moeten we kunnen meten bij extreme objecten zoals snel bewegende neutronensterren of zwarte gaten. Wellicht gaan deze metingen ons hints geven over gebieden waar de theorie begint af te brokkelen.”