Categorieën
Astronomie

Het simpele idee achter Einsteins grootste ontdekkingen.

Achter Einsteins zwaartekrachttheorie en ons moderne begrip van deeltjesfysica schuilt het bedrieglijk eenvoudige idee van symmetrie. Maar natuurkundigen beginnen zich af te vragen of het focussen op symmetrie nog steeds zo productief is als het ooit was.

“”De hoge lat voor nieuwe ideeën is dat ze niet in tegenspraak kunnen zijn met consistent betrouwbare theorieën zoals kwantummechanica en relativiteit, inclusief de symmetrieën die ze ondersteunen.””

Lees het originele artikel met illustraties op Quanta Magazine, hieronder de linkjes, volgt de Nederlandse vertaling van het artikel.

Het artikel op Quanta Magazine (Engels)

Quanta magazine’ s. Contributing writer: K.C. Cole


De flitsende vruchten van de eeuwenoude inzichten van Albert Einstein zijn inmiddels diep ingebed in de populaire verbeelding: zwarte gaten, time warps en wormgaten verschijnen regelmatig als plotpunten in films, boeken en tv-shows. Tegelijkertijd voeden ze baanbrekend onderzoek en helpen ze natuurkundigen vragen te stellen over de aard van ruimte, tijd en zelfs informatie zelf.

Maar misschien ironisch genoeg, wat misschien wel het meest revolutionaire deel van Einsteins nalatenschap is, krijgt zelden aandacht. Het heeft niets van de zwaartekrachtsgolven, de aantrekkingskracht van zwarte gaten of zelfs de charme van quarks. Maar net achter het gordijn van al deze exotische verschijnselen op de loer ligt een bedrieglijk eenvoudig idee dat aan de hendels trekt, laat zien hoe de stukjes in elkaar passen en het pad voor de boeg verlicht.

Het idee is dit: sommige wijzigingen veranderen niets. De meest fundamentele aspecten van de natuur blijven hetzelfde, ook al lijken ze op onverwachte manieren van vorm te veranderen. Einsteins artikelen uit 1905 over relativiteitstheorie leidden bijvoorbeeld tot de onmiskenbare conclusie dat de relatie tussen energie en massa onveranderlijk is, ook al kunnen energie en massa zelf enorm verschillende vormen aannemen. Zonne-energie arriveert op aarde en wordt massa in de vorm van groene bladeren, waardoor voedsel ontstaat dat we kunnen eten en gebruiken als brandstof om na te denken. (“Wat zijn deze gedachten van ons: wat zijn deze atomen met bewustzijn?”, Vroeg wijlen Richard Feynman. “Aardappelen van vorige week!”) Dat is de betekenis van E = mc2. De “c” staat voor de lichtsnelheid, een zeer groot aantal, dus het kost niet veel om een enorme hoeveelheid energie te produceren; in feite verandert de zon elke seconde miljoenen tonnen massa in energie.

Deze eindeloze vervorming van materie in energie (en vice versa) drijft de kosmos, materie, leven aan. Maar door dit alles verandert de inhoud van de energie-materie van het universum nooit. Het is vreemd maar waar: materie en energie zelf zijn minder fundamenteel dan de onderliggende relaties tussen hen.

We hebben de neiging om dingen, niet relaties, te beschouwen als het hart van de realiteit. Maar meestal is het tegenovergestelde waar. “Het is niet het spul”, zei de natuurkundige Stephon Alexander van de Brown University.

Hetzelfde is waar, toonde Einstein voor ‘dingen’ zoals ruimte en tijd schijnbaar stabiele, onveranderlijke aspecten van de natuur; in werkelijkheid is het de relatie tussen ruimte en tijd die altijd hetzelfde blijft, zelfs als de ruimte krimpt en de tijd verwijdt. Net als energie en materie zijn ruimte en tijd veranderlijke manifestaties van diepere, onwankelbare fundamenten: de dingen die nooit variëren, wat er ook gebeurt

Einstein’s diepgaande visie was dat ruimte en tijd in feite worden opgebouwd door relaties tussen dingen die gebeuren, ‘zei de natuurkundige Robbert Dijkgraaf, directeur van het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, waar Einstein zijn laatste decennia doorbracht.

De relatie die uiteindelijk het belangrijkst was voor de erfenis van Einstein was symmetrie. Wetenschappers beschrijven symmetrieën vaak als veranderingen die niet echt iets veranderen, verschillen die geen verschil maken, variaties die diepe relaties onveranderlijk laten. Voorbeelden zijn gemakkelijk te vinden in het dagelijks leven. Je kunt een sneeuwvlok 60 graden draaien en het ziet er hetzelfde uit. U kunt van plaats wisselen op een wipplank en de balans niet verstoren. Meer gecompliceerde symmetrieën hebben natuurkundigen ertoe gebracht alles te ontdekken, van neutrino’s tot quarks – ze leidden zelfs tot Einsteins eigen ontdekking dat gravitatie de kromming van de ruimtetijd is, die, zoals we nu weten, zichzelf kan omkrullen en in zwarte gaten kan afknijpen .

In de afgelopen decennia zijn sommige natuurkundigen begonnen zich af te vragen of het focussen op symmetrie nog steeds zo productief is als vroeger. Nieuwe deeltjes voorspeld door theorieën gebaseerd op symmetrieën zijn niet verschenen in experimenten zoals gehoopt, en het gedetecteerde Higgs-deeltje was veel te licht om in een bekend symmetrisch schema te passen. Symmetrie heeft nog niet geholpen uit te leggen waarom de zwaartekracht zo zwak is, waarom de vacuümenergie zo klein is of waarom donkere materie transparant blijft.

“In de deeltjesfysica bestaat dit vooroordeel dat symmetrie aan de basis ligt van onze beschrijving van de natuur”, zei de natuurkundige Justin Khoury van de Universiteit van Pennsylvania. ‘Dat idee was buitengewoon krachtig. Maar wie weet? Misschien moeten we deze mooie en gekoesterde principes die zo goed hebben gewerkt echt opgeven. Dus het is op dit moment een zeer interessante tijd. “

Licht

Einstein dacht niet aan invariantie of symmetrie toen hij zijn eerste relativiteitsteksten schreef in 1905, maar historici speculeren dat zijn isolement van de natuurkundegemeenschap tijdens zijn dienstverband bij het Zwitserse octrooibureau hem misschien zou hebben geholpen voorbij de onnodige attributen te gaan die mensen als vanzelfsprekend beschouwden. .

Net als andere natuurkundigen van zijn tijd, overwoog Einstein verschillende schijnbaar niet-gerelateerde puzzels. De vergelijkingen van James Clerk Maxwell die de intieme verbinding tussen elektrische en magnetische velden onthulden, zagen er heel anders uit in verschillende referentiekaders – of een waarnemer nu beweegt of in rust is. Bovendien kwam de snelheid waarmee elektromagnetische velden zich door de ruimte voortplantten bijna exact overeen met de lichtsnelheid die herhaaldelijk door experimenten werd gemeten – een snelheid die hoe dan ook niet veranderde. Een waarnemer zou naar het licht kunnen rennen of er vandoor kunnen rennen, en de ,snelheid varieerde niet.

Einstein verbond de punten: de lichtsnelheid was een meetbare manifestatie van de symmetrische relatie tussen elektrische en magnetische velden – een fundamenteler concept dan de ruimte zelf. Licht had niets nodig om doorheen te reizen, omdat het zelf elektromagnetische velden in beweging was. Het concept “in rust” – de statische “lege ruimte” uitgevonden door Isaac Newton – was onnodig en onzinnig. Er was geen universeel ‘hier’ of ‘nu’: gebeurtenissen konden voor de ene waarnemer tegelijk verschijnen, maar niet voor de andere, en beide perspectieven zouden correct zijn.

Het achtervolgen van een lichtstraal veroorzaakte nog een merkwaardig effect, het onderwerp van Einsteins tweede relativiteitstekst: ‘Hangt de traagheid van een lichaam af van zijn energie-inhoud?’ Het antwoord was ja. Hoe sneller je jaagt, hoe moeilijker het is om sneller te gaan. Weerstand tegen verandering wordt oneindig met de snelheid van het licht. Omdat die weerstand traagheid is en traagheid een maat voor massa is, wordt de bewegingsenergie omgezet in massa. ‘Er is geen essentieel onderscheid tussen massa en energie’, schreef Einstein.

Het kostte Einstein meerdere jaren om te accepteren dat ruimte en tijd onlosmakelijk met elkaar verweven draden zijn van een enkel ruimtetijd-weefsel, onmogelijk te ontwarren. “Hij dacht nog steeds niet op een volledig verenigde manier van ruimte-tijd”, zegt David Kaiser, natuurkundige en wetenschapshistoricus aan het Massachusetts Institute of Technology.

Eengemaakte ruimte-tijd is een moeilijk concept om onze geest rond te wikkelen. Maar het begint logisch te worden als we nadenken over de ware betekenis van ‘snelheid’. De lichtsnelheid is, zoals elke snelheid, een relatie – afstand die in de tijd is afgelegd. Maar de lichtsnelheid is speciaal omdat het niet kan veranderen; uw laserstraal gaat niet sneller vooruit, alleen omdat deze is opgenomen vanaf een snelheidsatelliet. Metingen van afstand en tijd moeten daarom in plaats daarvan veranderen, afhankelijk van iemands bewegingsstatus, wat leidt tot effecten die bekend staan als ‘ruimtecontractie’ en ‘tijdsdilatatie’. De invariant is dit: hoe snel twee mensen ook reizen ten opzichte van elkaar, ze meten altijd hetzelfde ‘ruimte-tijdinterval’. Aan je bureau zit je door de tijd, nauwelijks door de ruimte. Een kosmische straal vliegt over grote afstanden met bijna de lichtsnelheid, maar doorkruist bijna geen tijd en blijft altijd jong. De relaties zijn onveranderlijk, ongeacht hoe je de dingen verandert.

Zwaartekracht.

De speciale relativiteitstheorie van Einstein, die eerst kwam, is ‘speciaal’ omdat het alleen van toepassing is op gestage, onveranderlijke beweging door de ruimte-tijd – niet op het versnellen van beweging zoals de beweging van een object dat naar de aarde valt. Het stoorde Einstein dat zijn theorie geen zwaartekracht omvatte, en zijn worsteling om deze op te nemen maakte symmetrie centraal in zijn denken. “Tegen de tijd dat hij zich volledig gaat bezighouden met algemene relativiteit, is hij veel meer geïnvesteerd in deze notie van invarianten en ruimte-tijdintervallen die voor alle waarnemers hetzelfde zouden moeten zijn,” zei Kaiser.

Einstein was met name verbaasd over een verschil dat geen verschil maakte, een symmetrie die niet logisch was. Het is nog steeds verbazingwekkend om een prop proppen papier en een stel zware sleutels naast elkaar te laten vallen om te zien dat ze op de een of andere manier, bijna magisch, tegelijkertijd de grond raken – zoals Galileo demonstreerde (tenminste apocrief) door lichte en zware ballen van de toren te laten vallen in Pisa. Als de zwaartekracht afhangt van de massa, hoe zwaarder een object is, hoe sneller het zinnig moet vallen. Op onverklaarbare wijze niet.

Het belangrijkste inzicht kwam naar Einstein in een van zijn beroemde gedachte-experimenten. Hij stelde zich een man voor die van een gebouw viel. De man zweefde zo gelukkig als een astronaut in de ruimte, totdat de grond hem in de weg zat. Toen Einstein zich realiseerde dat een persoon die vrij viel zich gewichtloos zou voelen, beschreef hij de ontdekking als de gelukkigste gedachte van zijn leven. Het duurde een tijdje voordat hij de wiskundige details van de algemene relativiteitstheorie vastlegde, maar het raadsel van de zwaartekracht werd opgelost toen hij eenmaal toonde dat zwaartekracht de kromming van de ruimtetijd zelf is, gecreëerd door enorme objecten zoals de aarde. Nabijgelegen ‘vallende’ objecten zoals de denkbeeldige man van Einstein of de ballen van Galileo, volgen gewoon het ruimte-tijdpad dat voor hen is uitgezet

Toen de algemene relativiteitstheorie voor het eerst werd gepubliceerd, 10 jaar na de speciale versie, deed zich een probleem voor: het leek erop dat energie mogelijk niet zou worden geconserveerd in sterk gekromde ruimte-tijd. Het was bekend dat bepaalde grootheden in de natuur altijd behouden blijven: de hoeveelheid energie (inclusief energie in de vorm van massa), de hoeveelheid elektrische lading, de hoeveelheid momentum. In een opmerkelijke prestatie van wiskundige alchemie bewees de Duitse wiskundige Emmy Noether dat elk van deze geconserveerde grootheden wordt geassocieerd met een bepaalde symmetrie, een verandering die niets verandert.

Noether toonde aan dat de symmetrieën van algemene relativiteit – de invariantie onder transformaties tussen verschillende referentiekaders – ervoor zorgen dat energie altijd behouden blijft. De theorie van Einstein werd gered. Noether en symmetrie staan sindsdien allebei centraal in de natuurkunde.

Er toe doen/Matter (in het Engels)

Na Einstein werd de aantrekkingskracht van symmetrie alleen maar krachtiger. Paul Dirac probeerde de kwantummechanica compatibel te maken met de symmetrie-eisen van speciale relativiteitstheorie en vond een minteken in een vergelijking die suggereert dat er “antimaterie” moet bestaan om de boeken in evenwicht te brengen. Het doet. Kort daarna speculeerde Wolfgang Pauli, in een poging om de energie te verklaren die verloren leek te gaan tijdens het uiteenvallen van radioactieve deeltjes, dat de ontbrekende energie misschien werd weggevoerd door een onbekend, ongrijpbaar deeltje. Ja, en dat deeltje is de neutrino.

Vanaf de jaren vijftig gingen de invarianten een eigen leven leiden, werden ze steeds abstracter en ‘sprongen uit’, zoals Kaiser het uitdrukte, vanuit de symmetrie van de ruimte-tijd. Deze nieuwe symmetrieën, bekend als “maatinvariaties”, werden buitengewoon productief en “leverden de wereld”, zei Kaiser, door te eisen dat alles bestond, van W- en Z-bosonen tot gluonen. “Omdat we denken dat er een symmetrie is die zo fundamenteel is dat deze ten koste van alles moet worden beschermd, bedenken we nieuwe dingen”, zei hij. Gauge symmetrie “bepaalt welke andere ingrediënten je moet introduceren.” Het is ongeveer hetzelfde soort symmetrie als degene die ons vertelt dat een driehoek die onveranderlijk is bij rotaties van 120 graden, drie gelijke zijden moet hebben.

Maatsymmetrieën beschrijven de interne structuur van het deeltjesstelsel dat onze wereld bevolkt. Ze geven alle manieren aan waarop fysici kunnen verschuiven, roteren, vervormen en in het algemeen met hun vergelijkingen kunnen rotzooien zonder iets belangrijks te variëren. “De symmetrie vertelt je op hoeveel manieren je dingen kunt omdraaien, de manier waarop de krachten werken veranderen, en het verandert niets”, zei Alexander. Het resultaat is een kijkje in de verborgen steiger die de basisingrediënten van de natuur ondersteunt.

De abstractheid van ijksymmetrieën veroorzaakt in sommige kringen een zeker onbehagen. “Je ziet niet het hele apparaat, je ziet alleen het resultaat”, zei Dijkgraaf. “Ik denk dat er met ijksymmetrieën nog steeds veel verwarring is.”

Om het probleem te verergeren, produceren meetsymmetrieën een veelvoud aan manieren om een enkel fysiek systeem te beschrijven – een redundantie, zoals de natuurkundige Mark Trodden van de Universiteit van Pennsylvania het uitdrukte. Deze eigenschap van ijktheorieën, legde Trodden uit, maakt berekeningen ‘duivels ingewikkeld’. Pagina’s en pagina’s met berekeningen leiden tot zeer eenvoudige antwoorden. ‘En je vraagt je af: waarom? Waar komt al die complexiteit in het midden vandaan? En een mogelijk antwoord daarop is deze redundantie van beschrijving die symmetrische symmetrieën u geven. ‘

Een dergelijke interne complexiteit is het tegenovergestelde van wat symmetrie normaal gesproken biedt: eenvoud. Met een tegelpatroon dat zichzelf herhaalt, ‘hoef je maar een klein beetje te kijken en je kunt de rest voorspellen’, zei Dijkgraaf. Je hebt niet één wet nodig voor het behoud van energie en een andere voor materie waar er maar één zal doen. Het universum is symmetrisch omdat het homogeen is op grote schaal; het heeft geen links of rechts, omhoog of omlaag. “Als dat niet het geval was, zou kosmologie een grote puinhoop zijn”, zei Khoury.

Broken Symmetries

Het grootste probleem is dat symmetrie, zoals die nu wordt begrepen, enkele van de grootste vragen in de natuurkunde niet lijkt te beantwoorden. Toegegeven, symmetrie vertelde natuurkundigen waar ze zowel naar het Higgs-boson als naar zwaartekrachtgolven moesten zoeken – twee belangrijke ontdekkingen van het afgelopen decennium. Tegelijkertijd voorspelde op symmetrie gebaseerde redenering een hele reeks dingen die in geen enkel experiment zijn opgedoken, waaronder de “supersymmetrische” deeltjes die hadden kunnen dienen als de ontbrekende donkere materie van de kosmos en legde uit waarom de zwaartekracht zo zwak is in vergelijking met elektromagnetisme en alle andere krachten.

In de deeltjesfysica bestaat dit vooroordeel dat symmetrie aan de basis ligt van onze beschrijving van de natuur.

Justin Khoury

In sommige gevallen lijken symmetrieën die aanwezig zijn in de onderliggende natuurwetten in werkelijkheid te worden verbroken. Als energie bijvoorbeeld via de goede oude E = mc2 in materie stolt, is het resultaat gelijke hoeveelheden materie en antimaterie – een symmetrie. Maar als de energie van de Big Bang materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden creëerde, hadden ze elkaar moeten vernietigen en geen spoor van materie achterlaten. Toch zijn we hier.

De perfecte symmetrie die had moeten bestaan in de vroege hete momenten van het universum werd op de een of andere manier vernietigd toen het afkoelde, net zoals een perfect symmetrische waterdruppel een deel van zijn symmetrie verliest wanneer het in ijs bevriest. (Een sneeuwvlok kan er in zes verschillende oriëntaties hetzelfde uitzien, maar een gesmolten sneeuwvlok ziet er in elke richting hetzelfde uit.)

Iedereen is geïnteresseerd in spontaan verbroken symmetrieën, ‘zei Trodden. “De natuurwet volgt een symmetrie, maar de oplossing waarin u geïnteresseerd bent niet.”

Maar wat verbrak de symmetrie tussen materie en antimaterie?

Het zou niemand verbazen als de natuurkunde vandaag de dag te maken zou krijgen met onnodige steigers, net als het idee van ‘lege ruimte’ dat mensen voor Einstein de verkeerde kant op stuurde. Sommigen denken dat de misleiding van vandaag misschien zelfs te maken heeft met de obsessie met symmetrie zelf, althans zoals het momenteel wordt begrepen.

Veel natuurkundigen hebben een idee onderzocht dat nauw verwant is aan symmetrie, genaamd ‘dualiteit’. Dualiteiten zijn niet nieuw voor de natuurkunde. Dualiteit van golfdeeltjes – het feit dat hetzelfde kwantumsysteem het beste kan worden omschreven als een golf of een deeltje, afhankelijk van de context – bestaat al sinds het begin van de kwantummechanica. Maar pas ontdekte dualiteiten hebben verrassende relaties onthuld: een driedimensionale wereld zonder zwaartekracht kan bijvoorbeeld wiskundig equivalent zijn, of duaal, aan een vierdimensionale wereld met zwaartekracht.

Als beschrijvingen van werelden met verschillende aantallen ruimtelijke dimensies equivalent zijn, dan kan “één dimensie in zekere zin als fungibel worden beschouwd”, zei Trodden.

Deze dualiteiten bevatten elementen – het aantal dimensies – die we als onveranderlijk beschouwen, ‘zei Dijkgraaf,’ maar dat zijn ze niet. ‘ Het bestaan van twee gelijkwaardige beschrijvingen met alle bijbehorende berekeningen roept “een zeer diep, bijna filosofisch punt op: is er een onveranderlijke manier om de fysieke realiteit te beschrijven?”

Niemand geeft snel symmetrie op, deels omdat het zo krachtig is gebleken en ook omdat het afstand doen ervan voor veel natuurkundigen betekent dat het ‘natuurlijkheid’ opgeeft – het idee dat het universum precies moet zijn zoals het is voor een reden, de meubels waren zo onberispelijk gerangschikt dat je het je niet anders zou kunnen voorstellen.

Het is duidelijk dat sommige aspecten van de natuur – zoals de banen van de planeten – het resultaat zijn van geschiedenis en ongeluk, niet van symmetrie. Biologische evolutie is een combinatie van bekende mechanismen en toeval. Misschien had Max Born wel gelijk toen hij reageerde op Einsteins aanhoudende bezwaar dat ‘God geen dobbelstenen speelt’ door erop te wijzen dat ‘de natuur, evenals menselijke aangelegenheden, onderhevig zijn aan zowel noodzaak als ongeluk’.

Bepaalde aspecten van de natuurkunde moeten intact blijven – bijvoorbeeld causaliteit. ‘Effecten kunnen oorzaken niet voorafgaan’, zei Alexander. Andere dingen zullen dat vrijwel zeker niet doen.

Een aspect dat in de toekomst zeker geen sleutelrol zal spelen, is de lichtsnelheid, die het werk van Einstein heeft gefundeerd. Het gladde weefsel van ruimte-tijd Einstein weefde een eeuw geleden onvermijdelijk aan flarden in zwarte gaten en op het moment van de oerknal. “De lichtsnelheid kan niet constant blijven als de ruimtetijd afbrokkelt”, zei Alexander. ‘Wat is invariant als de ruimtetijd afbrokkelt?’

Bepaalde dualiteiten suggereren dat ruimte-tijd voortkomt uit iets meer basaals, de vreemdste relatie van allemaal: wat Einstein de ‘spookachtige’ verbindingen tussen verstrengelde kwantumdeeltjes noemde. Veel onderzoekers geloven dat deze langeafstandsverbindingen ruimte-tijd aan elkaar hechten. Zoals Kaiser het uitdrukte: “De hoop is dat zoiets als een continuüm van ruimte-tijd naar voren zou komen als een secundair effect van meer fundamentele relaties, waaronder verstrengelingsrelaties.” In dat geval zou klassieke, continue ruimtetijd een ‘illusie’ zijn, zei hij.

De hoge lat voor nieuwe ideeën is dat ze niet in tegenspraak kunnen zijn met consistent betrouwbare theorieën zoals kwantummechanica en relativiteit, inclusief de symmetrieën die ze ondersteunen.

Einstein vergeleek ooit het bouwen van een nieuwe theorie met het beklimmen van een berg. Vanuit een hoger perspectief kun je de oude theorie nog steeds zien staan, maar deze is veranderd en je kunt zien waar deze past in het grotere, meer inclusieve landschap. In plaats van na te denken, zoals Feynman suggereerde, zouden toekomstige denkers met de aardappelen van vorige week kunnen nadenken over de fysica met behulp van de informatie die is gecodeerd in kwantumverstrengelingen, die de ruimte-tijd weven om in de eerste plaats aardappelen te telen.


Gerelateerd:


  1. What No New Particles Means for Physics
  2. How Einstein Lost His Bearings, and With Them, General Relativity
  3. From Einstein’s Theory to Gravity’s Chirp

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s