Terug in RuimteTijd 'The Beginning' (door Coco)

Dat is onzin volgens Einstein. (Na het overlijden van een zeer goede vriend:) 'Het betekent niets dat hij iets eerder dan ik deze vreemde wereld heeft verlaten. Mensen zoals wij, die geloven in de natuurkunde, weten dat het onderscheid tussen verleden, heden en toekomst slechts een hardnekkig volgehouden illusie is'

Dit is dus de langverwachte eerste aflevering van de Coco-Universe-serie over gravitatievelden, ruimtetijdkromming, zwarte gaten, relativiteitstheorie, neutronensterren, kernfusie. Ik heb mij de afgelopen tijd goed voorbereid met lezingen over Tijd, Literaire Gidsen over Zwarte Gaten, en een toegankelijke BBC-serie van Prof. 'Rockstar' Brian Cox. Die krijgt nog een apart logje. Eigenlijk is dit een soort van plannings-log in een poging de materie nog enigszins begrijpelijk te houden. Eigenlijk begrijp ik het zelf ook niet, de wiskunde is te ingewikkeld en het concept is moeilijk voor te stellen.
Tot aan de klassieke mechanica van Newton was zwaartekracht nog wel gemakkijk te begrijpen.
De gravitatiewet van Newton luidt (handig dat kopiëren vanuit Wikipedia)

met

• F de zwaartekracht tussen twee voorwerpen (in newton)
• m₁ de massa van het eerste voorwerp (in kg)
• m₂ de massa van het tweede voorwerp (in kg)
• r de afstand tussen de zwaartepunten van die voorwerpen (in m)
• G de gravitatieconstante = 6,67428 ± 0,00067 × 10^-11 Nm² kg^-2.

De aantrekkingskracht die de aarde uitoefent op een voorwerp dat zich op het aardoppervlak bevindt kan berekend worden door in deze formule voor m₁ de massa van de aarde te gebruiken, en voor r de (gemiddelde) straal van de aarde. In dit geval verkrijgt men de volgende formule:

Deze wordt meestal geschreven als:

waarbij de waarde g kan berekend worden als

= ± 9,81 ms^-2

Dit hebben de meeste mensen nog wel eens op de middelbare school gehad. F=m.a of m.g.
Maar deze formule bleek niet in staat alle waarnemingen in ons zonnestelsel of het heelal te beschrijven. Einstein dacht er een poosje over na en kwam met het 4-dimensionale ruimtetijd-concept oftewel de algemene relativiteitstheorie.

Deze theorie markeert een belangrijke grens. Daarvoor was natuurkunde nog wel enigszins te begrijpen voor een leek, na Einstein niet meer. Dat is jammer. Deze logies gaan het ook niet veranderen, u gaat het niet opeens begrijpen als u ze heeft gelezen. Ik begrijp het namelijk ook nog steeds niet, maar heb wel een beetje het idee gekregen hoe men het toepast. Het is ook wel fascinerend als je na een duidelijke uitleg op de BBC of bij Studium Generale nog steeds niet begrijpt hoe het in elkaar steekt, terwijl er mensen zijn die het wel begrijpen; terwijl er zelfs mensen zijn geweest die doorhadden wat er schortte en dat keurig en elegant vastlegde in een relativiteitstheorietje.
Ik schijf hier gewoon op wat ik er van begrepen heb, dat kan wel helemaal fout zijn, maar bedenk dat het niet veel kwaad kan als u op een feestje de relativiteitstheorie verkeerd, op zn coco's uitlegt. Wie zal u tegenspreken; en als iemand u tegenspreekt dan is het vast een theoretisch natuurkundige en dan had u beter over de evolotutietheorie van koetjes en kalfjes kunnen beginnen.


Tijd en de lichtsnelheid.
Zit in het RuimteTijd begrip. We weten allemaal dat we niet terug kunnen in de tijd. We kunnen wel terug in de ruimte, bijvoorbeeld even terug naar de keuken om de aardappels af te gieten.
Tijd stroomt maar naar één richting, altijd vooruit.

Niets kan sneller dan het licht. Daardoor kunnen we wel terug in de tijd. Kijken alleen! Niet handelen zoals in de filmtrilogie 'Back to the Future'.
Gedachte-experiment: 1789 Franse revolutie. Daar zou ik nog wel eens wat van terug willen zien. Einstein deed ook veel gedachte experimenten. Dat moet ook wel, want voor echte experimenten had hij geen tijd en geld. Einstein werkte overdag bij de Eidgenössischen Patentamt in Bern als Experte Dritter Klasse en bedacht in de avonduren zijn theorie. Ik ben al blij als ik 1 maal per week een logje af heb van wiki-weetjes, maar er schijnen ook bloggers te zijn die zelfs voor één logje per kwartaal nog een gostwriter benodigen. Pas na de publicatie van zijn relativiteitstheorie kreeg hij aanbiedingen van Universiteiten.

Eerste Gedachte-experiment: In 1789 scheen de zon met zijn licht-fotonen vrolijk en warm op de revolutionairen te Parijs. Deze fotonen werden teruggekaatst door al die druk doende en schreeuwende revolutionairen. Een deel van die gereflecteerde fotonen valt (direct) op je netvlies en dan zie je opeens een Guillotine vallen op de nek van een afgekeurde bourgeois. Maar een groot deel van het gereflecteerde licht gaat de ruimte in, want het was stralend mooi helder weer. En dat gereflecteerde licht beweegt zich met de lichtsnelheid door de ruimte. 1 lichtjaar per jaar. Dus dat beeld van die vallende Guillotine is nu ongeveer 222 lichtjaren van ons verwijderd. Dat is nog niet zo ver, want het dichtstbijzijnde melkwegstelsel of sterrenstelsel, Andromeda,  is ongeveer 3 miljoen lichtjaar hier vandaan. Ons eigen middelgrote sterrenstelsel, de Melkweg, is ongeveer 100.000 lichtjaar groot. Andromeda en onze Melkweg bevatten ieder ongeveer 200 miljard sterren. En natuurlijk ook planeten, maar die kunnen we niet zien, want die stralen geen licht uit. Naast Andromeda en de Melkweg  zijn er nog ongeveer 100 miljard andere sterrenstelsel of Galaxies met ieder ook weer 200 miljard sterren en een onbekend aantal planeten.

Die Guillotine is nog helemaal niet zo ver weg. Als we snel naar een planeet op 223 lichtjaar van de aarde zouden kunnen reizen, dan kunnen we de fotonen van de guillotine uit 1789 bekijken en er een YouTube filmpje van maken.
Helaas zegt Einstein, de maximum snelheid van een deeltje is de snelheid van het licht, dus sneller kan niet en daarom kunnen we niet terugkijken in de tijd. Wel wanneer het Guillotinelicht een spiegel tegenkomt op 223 lichtjaar, dan kunnen we over 223 jaar wel weer in het verleden terugkijken. (als het licht weer terug op aarde is)

Tweede Gedachte-experiment: Op aarde zien we opeens 2 sterren tegelijk 'aangaan' en licht uitzenden. Kunnen we nu stellen dat ze tegelijk op het zelfde tijdstip zijn 'aangegaan'. Nee, want we weten niet op hoeveel afstand die sterren van elkaar staan. Staat die eerste ster 1 lichtjaar verder van ons af dan de tweede, dan is de eerste ster dus een jaar eerder licht gaan uitzenden dan de tweede ster.

Albert Einstein stelde in zijn speciale relativiteitstheorie dat het niet mogelijk is over ruimte en tijd als twee afzonderlijke entiteiten te spreken, maar dat er slechts één entiteit bestaat namelijk de ruimtetijd, die in feite alle gebeurtenissen in het verleden, heden en toekomst in ons heelal bevat.
Recent hebben we licht ontvangen uit het begin van het ontstaan van het heelal. Dat licht is ongeveer 13,7 miljard jaar onderweg geweest naar ons zonnestelsel.
Samengevat heeft ons heelal dus een bijzondere eigenschap: de lichtsnelheid is altijd en overal dezelfde. Deze eigenschap is overigens tot nu toe niet echt verklaard.

Een deeltje dat met de lichtsnelheid beweegt, zoals een foton, heeft geen massa.  Een foton vervalt niet en is dus volkomen stabiel. Volgens de speciale relativiteitstheorie staat de lokale tijd van een foton stil, dus een foton krijgt niet de tijd om uiteen te vallen, zelfs als het een eindige levensduur had. Een foton blijft dus eeuwig  net zo nieuw en vers als bij zijn ontstaan.

Genoeg voor deze aflevering? Oh ja.. de tijd verloopt langzamer in een zwaarder gravitatieveld. Dus de klok in een satelliet in een baan om de aarde loopt sneller dan de klok hier op aarde. Dat merk je bij GPS-systemen. Wanneer daarvoor niet wordt gecorrigeerd, is de plaatsbepaling al snel heel onnauwkeurig. Per dag zit je er al gauw 10 km naast. Er is dus geen universele tijd. Tijd is niet hetzelfde voor iedereen. Het hangt af van waar je bent en hoe je beweegt.

"Time is what keeps everything from happening at once"
Curved space-time geometrie = zwaartekracht