Waarom Einstein niet ontdekte dat het heelal uitdijt

In de 17e eeuw publiceerde Isaac Newton de eerste echte theorie over de zwaartekracht. Alle objecten met massa trokken alle anderen aan met een kracht die werd bepaald door de afstanden tussen alle voorwerpen (of deeltjes). Maar toen Einstein de speciale relativiteitstheorie uitdacht waaruit bleek dat verschillende waarnemers het oneens zouden zijn over wat die afstandswaarden waren, wisten we dat er meer moest zijn.

In 1915 bedacht Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie. Deze theorie zorgde voor een aardverschuiving binnen de natuurkunde. Niet alleen massa’s werden aangetrokken, maar alle vormen van energie deden dat. Ruimte en tijd waren niet vast en absoluut, maar waren verbonden met elkaar in een ruimtetijd, met relatieve eigenschappen afhankelijk vanaf waar je waarnam. En ruimtetijd kromt en evolueert op basis van alle materie en energie die erin aanwezig is. Toen Einstein het voor het eerst op het totale heelal toepaste, ontstond er een enorm probleem. Dat is waar het verhaal begint.

Zwaartekracht is een kracht die er is, of we nu willen of niet. Dit is de belangrijkste overeenkomst van de theorie van Einstein met die van Newton. Als je wat materie zou nemen (met massa) en het perfect gelijkmatig over de ruimte zou verspreiden, ga je merken dat er een systeem in instabiel evenwicht ontstaat.  Het lijkt een beetje op een rots die op een dunne spits balanceert. Zolang de omstandigheden perfect blijven, blijft de materie uniform en blijft de rots in balans. Maar geef die rots het kleinste duwtje dan verdwijnt dat evenwicht. Zodra het zwaartepunt zich niet meer boven de spits bevindt, ontstaat er een netto krachtmoment en zal het rotsblok gaan vallen. Hetzelfde geldt voor ons heelal, omdat de kleinste verstoring zal leiden tot het groter worden van de zwaartekracht in een klein, lokaal volume van de ruimte dat de grootste dichtheid bereikt.

Dit probleem doet zich voor omdat zwaartekracht altijd aantrekt. De aard van deze kracht is zodanig dat een dichter ruimtegebied meer massa binnen zijn volume (Newton) zal hebben of ervoor zal zorgen dat de kromming van de ruimte groter is bij een bepaalde gebeurtenis in ruimtetijd (Einstein). En omdat deze dichtheid groter is, zal het ook harder aan andere massadeeltjes trekken, zodat de dichtheid nog groter wordt. Deze groei van dichtheid zal nooit stoppen. Statistisch gezien zal het gebied dan uiteindelijk zo dicht worden dat het onder zijn eigen zwaartekracht bezwijkt en een zwart gat zal gaan worden.  Dit is een kenmerk van de zwaartekracht. Maar voor Einstein was dit een enorm raadsel. Toen hij algemene relativiteitstheorie naar voren bracht, waren er veel feiten over het heelal die we tegenwoordig als vanzelfsprekend beschouwen en die Einstein toen niet kende. Einsteins visie op het heelala veel simpeler: een bijna perfect uniforme verdeling van materie, grotendeels in de vorm van sterren, die in de loop van de tijd hetzelfde bleef.

Je ziet nu Einsteins spagaat. Want als de zwaartekrachttheorie van Einstein, de algemene relativiteitstheorie, correct zou zijn, zou een statisch, uniform universum dus onstabiel zijn. En aan de andere kant: als Einsteins opvatting van het heelal als statisch en uniform correct zou zijn, blijkt dat weer niet uit de algemene relativiteitstheorie. Zie hier Einsteins worsteling: een heelal kan niet tegelijkertijd statisch en uniform zijn én voldoen aan de algemene relativiteitstheorie. Er moest volgens Einstein dus wel iets anders aan de hand zijn.

Zijn oplossing voor dit dilemma was een toevoeging aan zijn relativiteitstheorie. Iets wat de kosmologische constante werd genoemd. Deze moest ervoor zorgen dat het in Einsteins ogen statische heelal ook aan de algemene relativiteit zou voldoen. Hij noemde het later zelf zijn ‘grootste blunder’. Zwaartekracht is altijd een aantrekkingskracht en het is een kracht die sterker wordt naarmate het ruimtetijdinterval tussen twee objecten kleiner wordt.  De constante gedraagt ​​zich in zijn formules alsof het een veld is met een uniforme, positieve energiedichtheid, maar het kan ook een sterke, negatieve druk veroorzaken die het gedrag van het heelal verandert.

Zonder deze constante zou het heelal zich exponentieel vergroten. Einstein koos ervoor om twee effecten tegenover elkaar te plaatsen. Enerzijds de gravitatie, die ervoor zorgt dat massa’s naar elkaar toe worden getrokken en anderzijds de kosmologische constante die ervoor zorgt dat twee punten juist uit elkaar worden geduwd.  Door de kosmologische constante op de juiste waarde af te stemmen, kon hij de aantrekkingskracht van de zwaartekracht bestrijden door de effecten ervan met deze constante in evenwicht te brengen.

Dit voelt natuurlijk helemaal niet goed. Bovendien is het ook nog eens een heel instabiele oplossing. Breng een massa een beetje te dicht bij een andere en gravitatie overwint de kosmologische constante, wat leidt tot een gigantische zwaartekrachtgroei. Verplaats een massa een beetje te ver weg en de kosmologische constante is te sterk en zal die massa eindeloos versnellen. Iedereen die naar de vergelijkingen keek – waarschijnlijk ook Einstein – erkende dat dit niet het werkelijke antwoord kon zijn.

Maar om erachter te komen wat dan wel de juiste oplossing moest zijn, was meer tijd nodig. Het is bijvoorbeeld heel gemakkelijk is om exacte oplossingen te vinden voor hoe massa’s bewegen in de theorie van Newton (combineer gewoon zijn zwaartekrachtwet met zijn bewegingswetten). Bij de relativiteitstheorie ligt dat beduidend anders. Zelfs vandaag de dag zijn er tientallen oplossingen mogelijk bij het eenzelfde vraagstuk. De oplossing die ons heelal het beste beschrijft, is wel bijzonder. Het is een heelal die op de zijn grootste schaal gelijkmatig is gevuld met welke vorm van energie dan ook.

Het was echter niet Einstein die het oploste. In 1922 was Aleksandr Friedmann degene die ontdekte dat het heelal op zijn grootste schalen een gelijke energiedichtheid moest hebben: het moest isotroop en homogeen zijn. Dus in alle richtingen was op ieder plekje de energiedichtheid gelijk. Ook in andere landen werd dezelfde oplossing afgeleid door Georges Lemaître, Howard Robertson en Art Walker.

Een van de heftigste conclusies van de oplossing is dat het expliciet laat zien dat het ruimtetijdweefsel van het heelal, dat overal met dezelfde hoeveelheid materie en energie is gevuld, niet statisch kan blijven. Zelfs niet als je een kosmologische constante opneemt in de vergelijkingen. In plaats daarvan moest het heelal wel uitbreiden of inkrimpen. Een andere oplossing was er niet mogelijk. Als het heelal gelijkmatig gevuld is met materie en energie, hoef je alleen maar de verre sterrenstelsels te bekijken. Als hun licht wordt verschoven naar hogere energieën (met blauwere golflengten) naarmate ze verder weg zijn, trekt het samen. Als het juist naar lagere energieën wordt verplaatst (rodere golflengten), dan breidt het zich uit.

Vooral met behulp van de roodverschuivingsgegevens van Vesto Slipher en de afstandsafwijkingen die blijken uit de optische gegevens van Edwin Hubble en Milton Humason konden we vrij eenvoudig concluderen dat een duidelijke roodverschuiving plaatsvindt naarmate het sterrenstelsel verder weg staat. Het heelal breidt zich dus uit.

Het is dus helemaal niet statisch en dus is het volstrekt onnodig om een ​​kosmologische constante te vinden om te voorkomen dat het heelal ooit in een zwart gat zal veranderen. Einstein had een verkeerde aanname gedaan over het gedrag van het heelal. Hij ontwikkelde er een ad hoc-oplossing voor in de vorm van een kosmologische constante die, naar later bleek, volstrekt fout was.

Toen hij de kosmologische constante zijn ‘grootste blunder’ noemde, was daar dus geen woord van gelogen. Als hij gewoon had geloofd en geluisterd naar de uitkomsten van zijn eigen vergelijkingen, dan had hij het uitbreidende heelal kunnen voorspellen.

Nog steeds is de wetenschap het erover eens dat er een effect moet zijn dat zich als een soort van kosmologische constante in het heelal moet gedragen. Namelijk “iets” dat het versneld uitdijende heelal verklaart. Alleen eist de wetenschap tegenwoordig niet dat het per se een kosmologische constante moet zijn. Ze zien het als een gegeneraliseerde vorm van energie met zijn eigen unieke eigenschappen die observatief bepaald moet worden. We nomen dit donkere energie.

De versnelde expansie die we nu zien, geeft aan dat het gedrag van donkere energie zich eigenlijk net zo gedraagt als een kosmologische constant. En dat is natuurlijk buitengewoon interessant. Het begrijpen en verklaren van donkere energie is daarom ook een van de grootste uitdagingen voor de wetenschap van de 21ste eeuw.

Maar, om misverstanden te voorkomen, Einstein had toch geen gelijk. Hoewel ons heelal misschien toch een kosmologische constante zou kunnen hebben die geen nul is, is het er niet om ons heelal te stabiliseren. Integendeel, ons heelal is allesbehalve stabiel; het breidt zich uit van een aanvankelijk hete, dichte en uniforme staat naar de koude, schaarse en de met sterrenstelsels gevulde kosmos die we vandaag zien.

Einstein miste dat allemaal omdat hij blind was er per se een statisch heelal als uitkomst wilde hebben. En daarom de kosmologische constante bedacht. Haal deze weg en je krijgt een heelal dat erg lijkt op het heelal dat we vandaag hebben. Als Einstein dat had voorspeld, zou het verbijsterend zijn geweest. In plaats daarvan manipuleerde hij de vergelijkingen om aan zijn (onjuiste) aannames te voldoen en miste hij het uitdijende heelal.