Kan het heelal sneller uitdijen dan de snelheid van het licht?
waarneembaar heelal. Sterrenstelsels maken plaats voor grootschalige structuur en het hete, dichte plasma van de oerknal aan de rand. Image credit: Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo) onder een c.c.a.-s.a.-3.0 licentie.
Eén van Einsteins beroemdste fundamentele wetten is dat niets in het heelal sneller kan reizen dan de snelheid van het licht in een vacuüm. Als je een massaloos deeltje bent, moet je met die snelheid reizen, en als je een massa hebt die niet nul is, is het onmogelijk om die snelheid te bereiken, hoeveel energie je er ook in pompt. Nog verrassender en contra-intuïtiever is dit: als een deeltje dat zich dicht bij de lichtsnelheid beweegt een ander deeltje dat zich dicht bij de lichtsnelheid beweegt wegschiet, beweegt het niet met bijna tweemaal de lichtsnelheid. In feite kan het nog steeds niet eens de lichtsnelheid zelf bereiken! Maar deze regels gelden, strikt genomen, alleen voor deeltjes die zich op dezelfde plaats in de ruimtetijd bevinden. In het uitdijende heelal – in gekromde ruimtetijd in het algemeen – zijn de regels heel anders. Afhankelijk van hoe je het bekijkt, is de uitdijing van het heelal zelf helemaal niet gebonden aan de snelheid van het licht.
Hoe is dat mogelijk? Laten we beginnen met de lichtsnelheid, en wat dat betekent.
comedynose (Pete), ter illustratie van snelle, relativistische beweging. Afbeelding gevonden via https://www.flickr.com/photos/comedynose/23696582553.
Gelijk waar je bent of wat je bent, er is een absolute limiet aan hoe snel je door de ruimte kunt bewegen. Je zou kunnen denken dat je, door steeds meer energie te verbruiken, jezelf sneller kunt laten bewegen… en hoewel dit waar is, is het maar tot op zekere hoogte waar. Als je maar een paar meter per uur beweegt, of een paar kilometer per uur, of zelfs maar een paar kilometer per seconde, zoals de Aarde rond de Zon, dan merk je waarschijnlijk niet eens de hindernissen die er zijn om met een oneindige snelheid te bewegen. Maar ze bestaan toch, hoe subtiel ook. Hoe sneller je beweegt – hoe groter je beweging door de ruimte is – hoe trager je beweging door de tijd wordt. Stel je voor dat je volledig in rust was op het aardoppervlak, en je had een vriend die met jou begon, ook in rust, maar dan vertrok in een jet om met hoge snelheid de wereld rond te vliegen. Voordat u en uw vriend vertrekken, zetten u beiden uw horloge gelijk, tot op de microseconde nauwkeurig.
Als u een uurwerk had dat gevoelig genoeg was, zou u merken dat – wanneer uw vriend zijn reis had voltooid en naar u terugkeerde – uw horloges net niet synchroon liepen met elkaar. Jouw horloge zou een iets latere tijd aangeven dan dat van je vriend, waarschijnlijk slechts enkele tientallen microseconden, maar verschillend genoeg om ze met een nauwkeurige meting uit elkaar te kunnen houden.
En hoe sneller je gaat, hoe duidelijker het verschil wordt.
Astronauten in het internationale ruimtestation, die in slechts 90 minuten rond de aarde vliegen, zien hun horloges seconden langzamer lopen; bij terugkeer op aarde is het verschil in de verstreken tijd zelfs met conventionele uurwerken merkbaar. Het vreemde is dat niet alleen de klokken anders lopen als gevolg van de hoge snelheden waarmee we te maken hebben, maar dat de tijd zelf ook anders loopt.
Het feit dat klokken en horloges langzamer lopen bij hoge snelheden is slechts een artefact van het bredere verschijnsel dat tijd en ruimte met elkaar verbonden zijn, en dat een snellere beweging door de ruimte een langzamere beweging door de tijd betekent. De verbinding tussen die twee – ruimte en tijd – wordt gegeven door de lichtsnelheid. Hoe dichter je bij de lichtsnelheid komt, hoe meer je tijdsverloop asymptotisch nul benadert.
Daarom kan een muon, een instabiel deeltje met een gemiddelde levensduur van slechts twee microseconden, boven in de atmosfeer ontstaan met snelheden die de lichtsnelheid zeer dicht benaderen, en kan het helemaal tot aan het aardoppervlak reiken. Dat is een reis van zo’n 100 km, terwijl een muon dat slechts gedurende 2,2 microseconden met een snelheid van 300.000 km/s (de lichtsnelheid) zou bewegen, zou vervallen na slechts 0,6% van de benodigde afstand te hebben afgelegd. De reden waarom een muon het aardoppervlak kan bereiken – en als je je hand uitsteekt, gaat er elke seconde ongeveer één muon doorheen – is vanwege dit relativiteitseffect.
cluster van sterrenstelsels dichtbij, op slechts 330 miljoen lichtjaar afstand. Foto: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universiteit van Arizona, onder c.c.-by-s.a.-3.0.
En wat nu, van het uitdijende heelal? Je weet dat als je naar een sterrenstelsel kijkt, gemiddeld genomen, hoe verder dat sterrenstelsel van ons verwijderd is, hoe sneller het van ons weg lijkt te trekken. Sterrenstelsels in de Virgo Cluster, zo’n 50 tot 60 miljoen lichtjaar van ons verwijderd, bewegen gemiddeld met zo’n 1200 km/s van ons vandaan; sterrenstelsels in de Coma Cluster, zo’n 330 miljoen lichtjaar van ons verwijderd, lijken zich met 7000 km/s van ons te verwijderen.
Hoe verder weg we kijken, hoe sneller deze sterrenstelsels en clusters zich van ons lijken te verwijderen. Zeker, er zijn kleine variaties van een paar honderd of zelfs duizend km/s door lokale bewegingen en het effect van zwaartekrachtswerkingen in de buurt, maar op de grootste schalen – en op de grootste afstanden – zien we dat hoe verder weg we kijken, hoe sneller deze sterrenstelsels zich van ons verwijderen. Deze waarneming, die in de jaren twintig van de vorige eeuw voor het eerst door Edwin Hubble zelf werd gedaan, leidt tot de wet van Hubble, oftewel de wet die de uitdijing van het heelal regelt. Met de beste moderne waarnemingen waarover we beschikken, gaat deze wet miljarden lichtjaren in alle richtingen door.
van Betoule et al. (2014), via http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.
“Wacht even,” hoor ik u al protesteren. “En de lichtsnelheid dan?” Inderdaad, hoe zit het met de lichtsnelheid? Zeker, die onzichtbare barrière – die alle vormen van materie ervan weerhoudt zich voorbij een bepaalde snelheid te bewegen – zou in werking treden en voorkomen dat de sterrenstelsels zich voorbij een bepaald punt terugtrekken, nietwaar? De tijd zou asymptotisch worden en ophouden te verstrijken als je die snelheid nadert, en het is voor altijd verboden om met een snelheid van minder dan nul te verstrijken, anders zouden deze sterrenstelsels terug in de tijd gaan, toch?
Dat zou je kunnen denken, maar we hebben een belangrijk stukje van de puzzel weggelaten. De snelheid van het licht geldt alleen, als een limiet, voor objecten die ten opzichte van elkaar bewegen op dezelfde plaats in de ruimte.
Astronaut Scott Kelly samen met zijn broer, voormalig Astronaut Mark Kelly bij het Johnson Space Center. Scott verbleef een jaar in de ruimte, aan boord van het ISS, terwijl Mark op de grond bleef. Image credit: NASA / Robert Markowitz.
Wanneer je vriend vertrok in zijn vliegtuig en terugkwam met zijn horloge iets achter op dat van jou, was dat omdat je elkaar weer op dezelfde locatie ontmoette. Toen de astronauten naar de aarde terugkeerden en hun reis enkele seconden korter was geweest dan de jouwe, was dat omdat je op dezelfde plaats was beland. Zelfs het muon, dat zich met bijna de lichtsnelheid voortbewoog, reisde ten opzichte van jouw referentiekader hier op aarde, en daarom waren de effecten ervan waarneembaar.
Maar daarbuiten, in het verre heelal, bewegen deze sterrenstelsels helemaal niet echt. Integendeel, de ruimte tussen hen in dijt uit, maar de afzonderlijke sterrenstelsels zelf staan enigszins stil ten opzichte van de ruimte zelf.
Je bent hier misschien niet zeker van als louter theoretische voorspelling, maar er is een test die je kunt doen: door naar deze verre sterrenstelsels te kijken en hun roodverschuivingen en hun afstanden te meten, kun je nagaan hoe ze op enorme afstanden bewegen, in vergelijking met de voorspellingen die de relativiteit doet.
Er zijn twee vormen van relativiteit: de speciale relativiteit, die bestaat in een vlakke, statische ruimte en waarbij alleen de beweging van objecten door de ruimte en de tijd ertoe doet, en de algemene relativiteit, waarbij de ruimte zelf in de loop van de tijd evolueert en/of krimpt, waarbij materie en energie de kromming van de ruimtetijd bepalen en de speciale relativiteit daarbovenop bestaat.
(ononderbroken) voorspellingen voor afstanden in het uitdijende heelal. Zeker is dat alleen de voorspellingen van GR overeenkomen met wat we waarnemen. Image credit: Wikimedia Commons user Redshiftimprove.
Trekkelijk dramatisch, nietwaar? Het blijkt dat onze waarnemingen definitief in het voordeel zijn van de algemeen relativistische interpretatie, en die waarbij de ruimte statisch is, volledig uitsluiten. Dus wat betekent dit, als we alles samenvoegen? Wat betekent het voor ons uitdijende heelal, zelfs als we er donkere energie aan toevoegen?
Het betekent dat naarmate de tijd verstrijkt, het licht dat door verre sterrenstelsels wordt uitgezonden, sterk verschuift naar het rode deel van het spectrum, wat resulteert in een kosmologische roodverschuiving. Dit betekent dat er delen van het heelal zijn die zo ver weg liggen dat het licht dat daar vandaan komt ons nooit zal kunnen bereiken. Op dit moment is dat punt alles wat verder weg is dan ongeveer 46,1 miljard lichtjaar van ons vandaan, gezien het feit dat ons heelal, voor zover we dat kunnen meten, ongeveer 13,8 miljard jaar sinds de oerknal bestaat.
En het betekent dat elk object dat verder weg is dan ongeveer 4,5 Gigaparsecs (oftewel 14 tot 15 miljard lichtjaar) vanaf dit punt nooit meer bereikbaar zal zijn voor ons, of voor wat we ook doen. Al die objecten – objecten die 97% van het waarneembare heelal in volume uitmaken – zijn op dit moment allemaal buiten ons bereik. Zelfs een foton, dat nu wordt uitgezonden, zal nooit bij hen aankomen, als dat onze bestemming is.
California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University en University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Sterrewacht Leiden), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile), en K. Ng (University of California, Davis).
Dus ja, naarmate de tijd verstrijkt, zullen alle objecten die door de uitdijing van het heelal worden ingehaald, zich steeds sneller van ons verwijderen. Laat genoeg tijd verstrijken, en ze zullen uiteindelijk allemaal sneller dan de lichtsnelheid terugwijken, voor ons in principe onbereikbaar, hoe snel we ook een raket bouwen of hoeveel signalen we ook afgeven en hoe snel het licht zelf ook is. Het enige wat we daaraan kunnen doen?
Zo snel mogelijk beginnen met intergalactisch reizen, voor het te laat is. Het huidige heelal verdwijnt door de versnelde expansie van de ruimte. Hoewel geen enkel object ooit sneller door het weefsel van de ruimte zelf beweegt dan de lichtsnelheid, is er geen snelheidslimiet op de expansie van het weefsel zelf; het doet gewoon wat het heelal dicteert.
Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.