Wanneer wij die bouwstenen gaan onderzoeken, komen wij al snel tot de vaststelling dat begrippen als tijd en ruimte volledig op zijn kop worden gezet. Het is eigenlijk verbazingwekkend hoe weinig dit bekend is. We hebben wel al over Einstein en Stephen Hawking gehoord, maar wat zij ontdekt hebben is nog niet doorgedrongen in onze maatschappij.
De documentaire The Universe: Quantum the Microscopic Universe (Discovery Channel,YouTube) geeft in amper 45 minuten op een zeer toegankelijk manier een overzicht op heel wat begrippen in de hedendaagse natuurkunde. Je moet geen wiskundige of natuurkundige voorkennis hebben.
Vermits deze documentaire in het Engels is, geef ik hieronder een beetje achtergrondinformatie.
De Grieken geloofden al dat materie was opgebouwd uit atomen. In de 19de eeuw stelden wij ons voor dat atomen kleine massieve bolletjes waren. Een goudatoom was het kleinst mogelijke korreltje goud. Wat later ontdekte men dat die atomen elektronen bevatten. Men stelde zich toen voor dat een atoom op een pudding leek waarbij de elektronen zich gedroegen als krenten.
Stap voor stap veranderde het beeld van een atoom. Men leerde dat atomen absoluut niet massief zijn, integendeel. Ze zijn zelfs bijzonder ijl. Ze bestaan uit een kern van protonen en neutronen en daarrond bewegen elektronen. Die deeltjes werden elementaire deeltjes genoemd. Maar naderhand bleken protonen en neutronen opgebouwd te zijn uit nog kleinere deeltjes.
In het onderzoekscentrum CERN in Geneve bevindt zich misschien wel de meest complexe machine die de mens tot nu toe gebouwd heeft. Een gigantische machine in een ondergrondse tunnel van 27 km lang. Deze machine is niet alleen groot en zwaar, tegelijk is ze ook uiterst gesofistikeerd en onwaarschijnlijk nauwkeurig. In deze machine gaat men op zoek naar nieuwe elementaire deeltjes.
Ondertussen gaan theoretische natuurkundigen nog verder. In een zoektocht om de krachten te verklaren die protonen in een atoomkern samenhouden is men gekomen tot de snaartheorie (Engels: string theory). De ruimte, de tijd, de elementaire deeltjes je kan het allemaal beschrijven met trillende snaren, wat je je moet voorstellen als onvoorstelbaar kleine veertjes. Overigens niet alleen de deeltjes, ook de pakketjes energie van verschillende soorten krachten bestaan uit snaren (bijvoorbeeld: elektromagnetische krachten of de sterke kernkrachten) bestaan uit snaren. Die deeltjes of pakketjes verschillen van enkel van elkaar omdat ze snaren zijn met een andere trilfrekwentie.
Heb je twee minuten? Bekijk dan de eerste twee minuten van volgend fragment en zie het verband tussen materie, atomen, elektronen, protonen, quarks enz tot en met de snaren.
(String Theory Part 1, vanaf 17 min 16 sec)
De snaartheorie is wel nog niet bewezen. De snaren zijn immers gigantisch klein. Om en nabij de zogenaamde Plancklengte (ongeveer 10 tot de macht -35 meter, dit is een getal voorafgegaan door 35 nullen na de komma. Een atoom is veel groter: in de orde van 10 tot de macht -15 meter). We zouden een druppel water zo groot moeten maken als het universum, pas dan zouden ze zo groot zijn als een boom.
Voor ik nog iets meer schrijf over die snaren, moet ik ook melden dat onze visie op tijd en ruimte de afgelopen honderd jaar ook stevig op zijn kop is gezet. De ruimte blijkt helemaal geen star systeem te zijn. Wanneer wij tijdens een zonsverduistering een ster zien aan de hemel die dicht bij de zon staat, kunnen we meten dat die ster dichter bij de zon staat dan wij verwachten. Immers de lichtdeeltjes (fotonen) die van die ster afkomstig zijn, worden in de buurt van de zon afgebogen. En dit helemaal niet omdat de zon die deeltjes aantrekt, maar wel omdat de zon door haar gigantische massa de ruimte vervormt.
Dat is een van de verschijnselen die Einstein verklaard heeft. Ook heeft hij gevonden dat de tijd een relatief begrip is. Als je je aan grote snelheden voortbeweegt, gaat de tijd trager. In zijn Algemene Relativiteitstheorie vindt Einstein tevens dat de tijd trager gaat wanneer je grotere gravitatiekrachten voelt: aan de zee gaat de tijd een ietsiepietsie trager dan aan de top van een berg.
Eén van de grote vondsten van Einstein was dat het universum niet ontstaan is in een star systeem van ruimte en tijd, maar ruimte en tijd zijn ontstaan uit het universum. Vermits ruimte en tijd met elkaar verbonden zijn, spreekt men dan ook van ruimtetijd.
Op kosmische schaal is ons universum een woelwater van ruimte en tijd. Maar dat is nog niets vergeleken met het gedrag van ruimte en tijd op atomaire schaal. Daar blijken deeltjes zich bijvoorbeeld te gedragen als golven en lijken ze zich tegelijk op twee plaatsen te kunnen bevinden.
Bij snaren wordt het dan nog een stuk ingewikkelder, want die blijken in een 11-dimensionele realiteit te bestaan. In onze leefwereld kennen wij de drie dimensies van plaats, dat wil zeggen als ik een robotarm wil programmeren om van één punt naar een ander punt te bewegen, dan volstaat het om drie cijfers op te geven: de mate waarin de arm vooruit of achteruit moet bewegen, de mate waarin ze naar links of rechts moet en de mate waarin ze naar boven of naar onder moet. Dit zijn drie dimensies, of ook wel drie vrijheidsgraden. Dan komt er nog een vierde dimensie bij: tijd, we moeten ook nog aangeven wanneer wij die arm daar willen zien.
Voor snaren zijn nog zeven bijkomende dimensies, of vrijheidsgraden. Dit is allemaal zeer zware wiskunde en het vergt veel abstractievermogen. Echter Discovery Channel heeft hierover ook een zeer interessante reeks gemaakt die ook opmerkelijk toegankelijk is: String Theory.
Deel 1:
Deel 2:
Deel 3:
