Abstract Ontwikkelingen in de kosmos: van Lorents
tot zwaartekrachtgolven, J.A. van Griethuysen 7/2/2018
Opmerking
vooraf:
Spreker heeft na zijn pensionering een masterstudie informatica
van 1 jaar gevolgd en afgerond.
Er zijn nog steeds fundamentele problemen in de fysica:
1. De relativiteitstheorie en de quantumleer zijn eigenlijk niet
verenigbaar.
2. Wat is zwarte materie?
3. Wat is donkere
energie?
4. Waarom zou het heelal versneld
uitdijen?
Deze problemen liggen waarschijnlijk in de grondslagen van
de verschillende theorieën, niet in de ingewikkelde formules en experimenten
die er bij horen. Daarom is vermoedelijk geen opleiding op universitair niveau
in de wis- en natuurkunde nodig om deze problemen te analyseren.
Spreker heeft zich daarom in hoofdzaak beperkt tot de
natuurlijke eenheden van Planck in de kwantumfysica, de speciale (en dus niet
de algemene) relativiteitstheorie, en uit de kosmologie de constante van
Hubble, een maat voor de vluchtsnelheid van (verre) sterrenstelsels, en
tenslotte, dat wij volgens de snarentheorie leven in een heelal met 10 of 11
dimensies, waarvan vijf “samengevallen”.
Theoretisch fysici gebruiken nog steeds bord en krijt als
hun voornaamste instrument. Spreker heeft intensief gebruik gemaakt van een
computerprogramma voor meetkunde, CABRI -oorspronkelijk ontworpen voor
voortgezet en vervolgonderwijs. In zijn ervaring bij zijn promotieonderzoek resulteert
een nieuwe methode toegepast op een bekend onderwerp soms in verrassende nieuwe
inzichten.
Analyse en verdere ontwikkeling van de eenheden van Planck
leveren een systeem van 10 eenheden op, waarvan 5 als samengevallen kunnen
worden beschouwd. Dit past bij de 10 dimensies van de snarentheorie.
Met name in de relativiteitstheorie speelt tijd een belangrijke
rol. Tijd is ook in de filosofie nog steeds een niet helemaal begrepen
fenomeen. Wij kunnen niet achteruit noch vooruit in de tijd. Wij kunnen alleen
waarnemen en handelen op dit, het huidige, moment. Van zaken in het verleden
kunnen wij alleen nú de sporen waarnemen, die zijn nagelaten in de natuur of in
ons geheugen. Dingen buiten onszelf zien we alleen zoals ze in het verleden
waren, omdat hun signaal zich “slechts” met lichtsnelheid voortplant. Onze
vinger aan een gestrekte arm, zien we zoals die 1 nanoseconde was, een ster op
een afstand van 4 lichtjaar, zoals die 4 jaar geleden was.
Lorentz stelde dat de negatieve uitkomst van een bepaald natuurkundig
experiment (Michelson-Morley) alleen verklaard kon worden, als aangenomen
wordt, dat in objecten die zich met (grote) snelheid bewegen, de tijd langzamer
verloopt, de zogenaamde tijddilatatie. Hij stelde hiervoor een set van 4
vergelijkingen op, die naar hem de Lorentz transformaties worden genoemd. Deze
vormen een belangrijke grondslag voor de relativiteitstheorieën.
Einstein heeft een gedachtenexperiment opgesteld, dat een
verklaring voor deze tijddilatatie zou zijn. Na zorgvuldige bestudering van
zijn oorspronkelijke artikel, komt het spreker voor, dat hij hierbij
“gesjoemeld” heeft. Hij zet zorgvuldig uiteen hoe klokken in een systeem in
rust, of met een eenparige snelheid gelijk gezet kunnen worden. Maar in
bovengenoemd gedachtenexperiment neemt hij zonder nader argument aan, dat een
waarnemer in een snel systeem zonder probleem op een klok in een systeem in
rust kan kijken. Het gedachtenexperiment lijkt dus te falen. Ook tegen een
latere verklaring, waarin een trein met grote snelheid langs een perron rijdt,
en de bliksem op het perron bij de voor- en achterkant van de trein inslaat
zijn argumenten in te brengen. Dit onderdeel van de speciale
relativiteitstheorie is dus discutabel. Deze tijddilatatie is in talloze
situaties aangetoond, en wordt door velen als bewijs voor de juistheid van de relativiteitstheorie
gezien. Maar mogelijk moet een alternatieve verklaring worden gezocht. Dit doet
trouwens niets af aan de grootheid van Einstein. Zijn algemene
relativiteitstheorie deed een groot aantal voorspellingen, die voor een
belangrijk deel zijn uitgekomen. De laatste is de ontdekking in 2017van het bestaan
van zwaartekrachtsgolven, 100 jaar nadat ze voorspeld waren.
In het heelal blijken verre sterrenstelsels een
roodverschuiving van het uitgestraalde licht te vertonen. Door de uitdijing
verwijderen sterrenstelsels zich met een zogenaamde vluchtsnelheid van ons
vandaan. De sterrenstelsels bevinden zich ten opzichte van hun directe omgeving
veelal in rust, dit is dus geen echte snelheid. Toch is de roodverschuiving te
verklaren als gevolg van een Doppler effect, in combinatie met tijddilatatie. Spreker
laat aan de hand van een aantal CABRI figuren zien, dat deze tijddilatatie
verklaard kan worden op basis van de uitdijingssnelheid (berekend uit Hubble’s
constante) en de snelheid van het licht, zonder dat aangenomen hoeft te worden
dat de tijd in deze sterrenstelsels werkelijk langzamer verloopt.
Deze verklaring kan niet zonder meer overgezet worden naar
de “echte” snelheid. Met behulp van CABRI figuren probeert spreker hierin
verder te komen. Hoewel veelbelovend
heeft dit nog niet tot een definitieve oplossing geleid. Extra 4e en
5e, niet samengevallen, dimensies lijken hierin een rol te spelen.
In het tweede deel van de presentatie gaat spreker in op de
levensloop van Nobelprijswinnaar Hendrik Lorentz. Behalve als een van de
grondleggers van de relativiteitstheorie, speelde hij als organisator en
voorzitter van de Solvay conferenties een centrale rol in de ontwikkeling van
de kwantumfysica in de tijd dat deze in de eerste 3 decennia van de 20e
eeuw ontstond. Ook was hij als voorzitter van de “Staatscommissie Zuiderzee”
nauw betrokken bij de voorspellingen over de te verwachte stromingen en
waterhoogten bij het tot stand komen van de Afsluitdijk. Spreker eindigt zijn
voordracht met enkele fragmenten uit een YouTube-film, waarin prominente
hedendaagse onderzoekers (’t Hooft en Dijkgraaf) het belang van Lorentz voor de
wetenschap onderstrepen.
Enkele
interessante internetwebsites:
Verslag voordracht Planck over Planck
eenheden (1899):
Speciale Relativiteitstheorie. Originele
artikel van Einstein (1905, vertaling in
het Engels):
