Uit Sette brevi lezioni di fisica
door Carlo Rovelli. In het Engels vertaald als Seven Brief Lessons on Physics
(Zeven korte beschouwingen over natuurkunde).
Het boek is telt amper een tachtigtal bladzijden, en beschrijft in een toegankelijke taal de huidige status van onze kennis over natuurkunde.
Carlo Rovelli is een natuurkundige die belangrijke bijdragen heeft geleverd aan de fysica van ruimte en tijd. Hij heeft gewerkt in Italië en de VS, en leidt momenteel de kwantumzwaartekracht onderzoeksgroep van het Centre de Physique Théorique in Marseille (Frankrijk). De teksten verschenen aanvankelijk als columns in de cultuurbijlage in de Italiaanse krant Il Sole 24 Ore
.
Het boek is werd ondertussen al in meer dan twintig talen vertaald. Aanvankelijk vond ik niet onmiddellijk een Nederlandse vertaling. Omdat ik er zo enthousiast was, kon ik het niet laten om het eerste hoofdstuk te vertalen in het Nederlands. Het boek bestaat uit zeven hoofdstukken. De zes eerste hoofdstukken behandelen telkens een domein van de natuurkunde. Het laatste hoofdstuk is een conclusie. Deze "lessen", zoals de auteur ze noemt, zijn eerder verschenen als column in de Italiaanse krant Il Sole 24 Ore.
Ondertussen heb ik de Nederlandse vertaling wel gevonden. Weliswaar enkel in papieren formaat. (zien onderaan)
De eerste les
De mooiste van alle theorieën
Tijdens zijn jeugd spendeerde Albert Einstein een jaar aan doelloos lanterfanten. Je komt nooit ergens als je nooit tijd verliest - iets wat helaas heel wat ouders met tieners vaak blijken te vergeten. Hij was in Pavia [in het noorden van Italië, 25 km ten zuiden van Milaan]. Hij was teruggekeerd naar zijn familie nadat hij zijn studies in Duitsland had afgebroken. Hij kon het strenge regime niet aan. Het was het begin van de twintigste eeuw, en de industriële revolutie begon in Italië. Zijn vader, een ingenieur, installeerde de eerste elektriciteitscentrale in de Povlakte. Albert las Kant en volgde af en toe lessen aan de Universiteit van Padua [waar onder andere
Galileo Galilei ooit les heeft gegeven]: voor het plezier, zonder zich in te schrijven en zonder aan examens te denken. Zo ernstig kunnen wetenschappers zijn.
Daarna schreef hij zich in aan de Universiteit van Zurich, en legde hij zich volledig toe op de studie van natuurkunde. Enkele jaren later, in 1905, stuurde hij drie artikelen naar het meest gerenommeerde wetenschappelijk tijdschrift van die tijd, het
Annalen der Physik. Elk verdiende een Nobelprijs. Het eerste toonde aan dat atomen echt bestaan. Het tweede legt de basis voor kwantummechanica, wat onderwerp is van de volgende les. Het derde beschrijft zijn eerste relativiteitstheorie (beter bekend als "speciale relativiteit"), de theorie die aan het licht brengt dat tijd niet voor iedereen identiek voortschrijdt: er ontstaat een leeftijdsverschil tussen tweelingen wanneer een van hen aan een bepaalde snelheid beweegt.
Op slag werd Einstein een vermaard wetenschapper en kreeg hij werkaanbiedingen bij verschillende universiteiten. Echter een ding zat hem dwars: ondanks zijn onmiddellijke bijval, was er iets wat niet klopte rond zwaartekracht, namelijk hoe voorwerpen vallen. Hij kwam tot dit inzicht toen hij een artikel schreef waarin hij zijn theorie samenvatte, en hij zich begon af te vragen of de wet van "universele zwaartekracht" zoals Isaac Newton, de grondlegger van de natuurkunde het zelf noemde, aan herziening toe was om het verenigbaar te maken met het concept van relativiteit. Hij verdiepte zich helemaal in het probleem. Het zou tien jaar duren om de oplossing te vinden. Tien jaar van dolgedraaide studie, pogingen, fouten, verwarring, foute artikels, briljante ideeën, onjuiste ideeën.
Uiteindelijk, in november 1915, publiceerde hij een artikel dat de volledige oplossing beschreef: een nieuwe zwaartekrachttheorie, die hij de "algemene relativiteitstheorie" noemde, zijn meesterwerk en "mooiste van alle theorieën", volgens de prominente Russisch natuurkundige Lev Landau.
Er zijn absolute meesterwerken die ons intens ontroeren: het Requiem van Mozart, Odyssee van Homerus, de Sixtijnse kapel,
King Lear. Om hun pracht ten volle te kunnen waarderen, vergt dit heel wat studie, maar de beloning is pure schoonheid - en dit is niet alles, het doet ons zelfs de wereld vanuit een ander perspectief bekijken. Einsteins parel, de algemene relativiteitstheorie is een meesterwerk van die orde.
Ik herinner mij de opwinding die ik voelde toen ik er iets van begon te begrijpen. Het was zomer. Ik was aan het zonovergoten mediterraanse strand van Condofuri in Calabrië [helemaal aan de tip van het zuiden van Italië], het was mijn laatste jaar als student. Niet afgeleid door het schoolse, studeert men het best tijdens vakanties. Ik studeerde met de hulp van een boek dat aan de randen was afgeknaagd door muizen, omdat ik het 's nachts gebruikte om de gaten te blokkeren van die arme wezentjes in het vervallen, hippie-achtige huis op een Umbrische heuvel waar ik vroeger een toevlucht nam tegen de verveling van de colleges aan de universiteit van Bologne. [De oudste universiteit van Europa, in het noorden van Italiê] Af en toe keek ik boven mijn boek uit en keek ik naar de schitterende zee: ik had de indruk dat ik eigenlijk naar Einsteins kromming van ruimte en tijd keek.
Het was als magie: alsof een vriend een buitengewone verborgen waarheid in mijn oor fluisterde, de plotse ontsluiering van een werkelijkheid van een eenvoudiger, diepere orde. Sinds we ontdekten dat de aarde rond is en draait zoals een dolgedraaide tol, hebben wij geleerd dat de realiteit anders is dan wij ze ervaren: iedere keer wij een glimp opvangen van een nieuw aspect, is dit een diep emotionele ervaring. Een andere sluier is gevallen.
Maar vergeleken met de vele sprongen voorwaarts in de wetenschap in de loop van de geschiedenis, is die van Einstein misschien wel ongeëvenaard. Waarom?
In de eerste plaats omdat, eenmaal je het principe verstaat, de theorie van een adembenemende eenvoud getuigt. Ik vat de theorie samen.
Newton heeft gepoogd een verklaring te vinden waarom voorwerpen vallen en planeten draaien. Hij veronderstelde dat er een kracht was die voorwerpen elkaar deed aantrekken, en hij noemde aantrekkingskracht. Hoe die kracht uitgeoefend werd op voorwerpen die op een afstand van elkaar verwijderd waren, zonder dat er iets tussen, was onbekend - en de grote grondlegger van hedendaagse wetenschap was voorzichtig om hiervoor een verklaring te formuleren. Newton veronderstelde dat voorwerpen zich in de ruimte bewogen, en dat ruimte een grote container was, een grote doos dat het universum omvat, een immense structuur waar alle voorwerpen zich in bewegen tot een kracht ze dwingt om hun baan af te buigen. Waarvan deze "ruimte" gemaakt was, kon Newton niet verklaren. Maar enkele jaren voor Einstein geboren werd, voegden twee grote Britse wetenschappers, Michael Faraday en James Maxwell, een sleutelingrediënt toe aan Newtons koude wereld: het elektromagnetisch veld. Dit veld is iets wat bestaat, overal verspreid, radiogolven draagt, ruimte vult, kan trillen en oscilleren zoals de oppervlakte van een meer, en "vervoert" de elektrische kracht. Al van in zijn jeugd was Einstein gefascineerd door dit elektromagnetisch veld dat de rotoren deed draaien in de elektriciteitscentrales die zijn vader bouwde, en zo kwam hij tot het inzicht dat zwaartekracht, zoals elektriciteit, overgebracht werd via een veld: een "gravitatieveld", gelijkaardig aan een "elektrisch veld". Hij probeerde te verstaan hoe dit "gravitatieveld" werkt, en hoe het in formules kan gegoten worden.
Het is op dit punt dat een merkwaardig idee in hem opkwam, een vlaag van pure genialiteit: het gravitatieveld is niet verspreid in de ruimte, het gravitatieveld is de ruimte zelf. Dit is het principevan de algemene relativiteitstheorie. Newtons "ruimte" waarin voorwerpen zich voortbewegen, en het "gravitatieveld" zijn een en hetzelfde.
Dit is een moment van verlichting. Een gewichtige vereenvoudiging van de wereld: ruimte is niet langer iets wat losstaat van materie, het is een van materiaaleigenschappen van de wereld. Het is iets wat golft, buigt, kromt en draait. Wij zitten niet vervat in een onzichtbare starre infrastructuur: wij zijn opgenomen in een gigantische flexibele slakkenschelp. De zon buigt de ruimte rond zich, en de aarde draait er niet rond omdat er een mysterieuze kracht is, maar omdat ze racet in een ruimte die afbuigt, zoals een knikker rolt in een trechter. Er worden geen geheimzinnige krachten gegenereerd in het centrum van de trechter, het is de gebogen natuur van de wanden die zorgt dat de knikker rolt. Planeten cirkelen rond de zon en voorwerpen vallen omdat de ruimte buigt.
Hoe kunnen wij die kromming van de ruimte beschrijven? De meest vooraanstaande wiskundige van de negentiende eeuw, Carl Friedrich Gauss, die soms de koning van de wiskunde wordt genoemd, had een formule geschreven die een tweedimensionaal golvend oppervlak beschrijft, zoals een de oppervlakten van heuvels. Toen heeft hij aan een getalenteerde student van hem gevraagd om de theorie te veralgemenen voor ruimtes in drie of meer dimensies. De student in kwestie, Bernhard Riemann heeft een indrukwekkend proefschrift geproduceerd, dat volkomen nutteloos leek. De conclusie van thesis van Riemann was dat de eigenschappen van een gekromde ruimte worden vervat zitten in een welbepaald wiskundig object, dat we vandaag kennen als de krommingstensor van Riemann, en wij voorstellen meet de letter R. Einstein schreef een formule die zegt dat R equivalent is met de energie van materie. Met andere woorden: ruimte kromt waar materie is. Dat is het. De formule past op een halve lijn, meer niet. Een visie - dat ruimte kromt - werd een vergelijking.
Maar in die vergelijking schuilt een universum dat wemelt. En hier opent de magische rijkdom van de theorie de deur naar een fantasmagorische opeenvolging van voorspellingen die op geraaskal van een gek lijken, maar die stuk voor stuk waar bleken.
Om te beginnen, de vergelijking beschrijft hoe de ruimte buigt rond een ster. Door deze kromming draaien niet alleen de planeten rond de ster, maar licht beweegt niet langer in een rechte lijn, maar wijkt af. In 1919 werd deze afwijking gemeten, en de voorspelling gecontroleerd. Maar het is niet enkel ruimte die buigt, tijd buigt eveneens. Einstein voorspelde dat de tijd sneller gaat boven dan beneden, dichter bij de Aarde. Dit werd gemeten, en het bleek het geval te zijn. Indien een man die op zeeniveau heeft geleefd zijn tweelingbroer ontmoet die in de bergen heeft gewoond, zal hij vaststellen dat zijn broer lichtjes ouder is dan hem. En dit is nog maar het begin.
Wanneer een ster al zijn brandstof (waterstof) heeft verbrand dooft ze. Wat overblijft wordt niet langer ondersteund door de hitte van de verbranding en bezwijkt onder zijn eigen gewicht, tot een punt waar het de ruimte dermate buigt dat het keldert tot een feitelijk gat. Dit zijn de fameuze zwarte gaten. Toen ik studeerde aan de universiteit werden ze beschouwd als nauwelijks geloofwaardige voorspellingen van een esoterische theorie. Vandaag worden ze bij honderden waargenomen in de ruimte, en worden ze in detail bestudeerd door astronomen.
Maar dit is niet alles. De hele ruimte kan uitzetten of krimpen. Bovendien, de vergelijking van Einstein toont dat de ruimte niet stil kan staan, het
moet uitzetten. In 1930 werd de uitdeining van het heelal gemeten. Dezelfde vergelijking voorspelt dat de uitdeining veroorzaakt moet zijn door een explosie van een jong, extreem klein en extreem heet universum: wat we nu kennen als de Big Bang. Opnieuw, niemand geloofde dit aanvankelijk, maar het bewijs werd geleverd toen de kosmische achtergrondstraling werd waargenomen, de diffuse schittering die overblijft van de hitte die veroorzaakt werd door die oorspronkelijke explosie. De voorspelling die uit Einsteins vergelijking voortvloeide, bleek te kloppen. En verder nog, deze theorie stelt dat de ruimte beweegt als de oppervlakte van de zee. De effecten van deze "gravitatiegolven" worden in het heelal waargenomen op binaire sterren, en komen overeen met de voorspellingen van de theorie zelfs tot de verbazingwekkende precisie van één miljardste. En zo verder.
Kortweg, de theorie beschrijft een kleurrijke en verbazingwekkende wereld waar universa ontploffen, ruimte ineenstort in een bodemloos gat, tijd verzakt en vertraagt in de nabijheid van een planeet, en de onbegrensde uitbreidingen van de interstellaire ruimte rimpelen en zwaaien zoals zeeoppervlakte... En dit alles kwam geleidelijk uit een boek waar de muizen aan geknaagd hebben, het was geen verzinsel verteld door een idioot in een vlaag van waanzin, of een hallucinatie veroorzaakt door de Mediterraanse verschroeiende zon van Calabrië en zijn oogverblindende zee. Het was werkelijkheid.
Of beter, een glimp van de werkelijkheid, een heel klein beetje minder gesluierd dan onze wazige en en onze gewone alledaagse kijk. Een werkelijkheid die lijkt gemaakt van hetzelfde materiaal waarvan onze dromen zijn gemaakt, maar die daarentegen echter is dan onze alledaagse versluierde dromen.
Dit is allemaal het resultaat van een elementaire intuïtie: dat ruimte en zwaartekrachtveld een en hetzelfde zijn. En van een eenvoudige vergelijking waaraan ik niet kan weerstaan om ze hier neer te schrijven, ook al zal je ze vrijwel zeker niet kunnen ontcijferen. Maar misschien zal iemand die ze leest wel de wonderlijke eenvoud kunnen appreciëren:
Rab − ½ R gab = Tab
Dat is het.
Je moet natuurlijk de wiskunde van Riemann studeren en verwerken om deze formule te kunnen lezen en gebruiken. Het vergt wat toewijding en inzet. Maar minder dan nodig om de ijle schoonheid van een laat Beethoven strijkkwartet te waarderen. In beide gevallen is de beloning pure schoonheid, en een nieuwe blik op de wereld.
---
Meer over het boek:
Ik heb ook een papieren exemplaar gekocht. Het is een prachting afgewerkt boekje. Ik heb het gevonden in Fnac Leuven.
Je kan de Nederlandse vertaling ook verkrijgen bij Fnac. Klik
hier voor meer info.
