## Les 10

1.2. Een kijkje in het verleden

Wanneer je een hele grote telescoop neemt, die heel ver kan kijken, en je richt deze op de sterren boven je aan de hemel neem je in werkelijkheid een kijkje in het verleden.

Beelden die we zien, worden veroorzaakt door het licht dat er op weerkaatst en op ons netvlies vallen. Onder invloed van licht valt dan in de kegeltjes van je netvlies de stof retinol uiteen in retinine en een electron, waardoor er een impuls wordt opgewekt en die een beeld vormt in onze hersenen.

Licht reist altijd met de lichtsnelheid. De lichtsnelheid is de snelheid waarmee het licht en andere elektromagnetische straling zich voortplant. In vacuüm legt licht 299.792.458 m/s af. Dat is dus bijna 300.000 km per seconde! Dus als een ster 10.000 lichtjaar van de Aarde af staat zie je dus een ster zoals deze er 10.000 jaar geleden uitzag. Ook als we naar onze eigen zon kijken zien we deze in het verleden. Het licht vanaf de zon doet er namelijk iets meer dan 8 minuten over om de Aarde te bereiken, dus zien we een beeld van de zon zoals dat er 8 minuten eerder uit zag.

We hebben inmiddels zelfs ruimtetelescopen, zoals bijvoorbeeld de Hubble ruimtetelescoop, waarmee we nu zelfs zo ver kunnen kijken dat we het begin van het ontstaan van ons universum hebben kunnen waarnemen. Met een Radiotelescoop (deze vangt korte golf radiogolven die uit het universum op ons afkomen op) kunnen we tot nu toe nog het verst “kijken” en hebben wetenschappers een beeld kunnen maken op basis van de achtergrondstraling van ons heelal toen het net pas was ontstaan.

Afb. 1.4. Stralingsbeeld van ons universum vlak na haar ontstaan

Het is eigenlijk wel een beetje raar om je voor te stellen, maar we reizen altijd wel een stukje terug in de tijd. Ook als je in de spiegel kijkt zie je het beeld van jezelf met een lichte vertraging. Licht mag dan wel heel snel bewegen, maar het doet er altijd eventjes over om ergens te komen. Zo doet licht er een duizendste van een miljoenste seconde er over om van jou naar de spiegel (op 30 centimeter afstand) en weer terug naar jou te gaan. Maar hoe verder we weggaan, hoe groter deze vertraging wordt. Brian Cox (2011) stelt over het terugkijken in de tijd in zijn boek Wonders of the Universe: “Although over tiny distances the effect is always utterly negligible, it should be obvious that once we lift our eyes upwards to the skies and become astronomers, profound consequen-ces await us.” Als we de zon ineens zouden weghalen, zouden we toch nog 8 minuten kunnen genieten van haar licht. Dat geldt overigens niet alleen voor haar licht, maar ook voor de gravitatiekracht. Aangezien de lichtsnelheid het grootste is dat weke invloed dan ook kan behalen, is een invloed als de gravitatiekracht die de zon genereert ook nog 8 minuten aanwezig terwijl de zon er al niet meer is. Dus, volgens Cox (2011), als de zon magischerwijs zou verdwijnen, blijven we het licht toch nog 8 minuten zien en blijft de Aarde ook nog 8 minuten lang er om heen draaien. We kijken dus altijd terug in de tijd als we naar de zon kijken.

Met dit fenomeen moeten we ook rekening houden met die Marswagentjes die er over de rode planeet rijden. Afhankelijk van de positie van de aarde en Mars in hun baan rond de zon is er een tijdsverschil van 4 tot 20 minuten die het licht er over doet om de afstand tussen Mars naar de Aarde af te leggen. Wanneer een Marswagentje dus op een ravijn afrijdt kan het dus tussen de 8 en 40 minuten duren voor we een signaal kunnen afgeven om het kunnen laten stoppen.

Een ander mooi voorbeeld dat Cox (2011) geeft is: “Two and a half million years ago, when our distant relative Homo habilis was foraging for food acros the Tanzanian savannah, a beam of light left the Andromeda Galaxy and began its journey across the Universe. As that light beam raced across space at the speed of light, generations of pre-humans and humans lived and died: whole species evolved and became extinct, until one member of that unbroken lineage, me, happened to gaze up into the sky below the constellation we call Cassiopeia and focus that beam of light onto his retina. A two-and-a-half-million-year journey ends by creating an electrical impulse in a nerve fibre, triggering a cascade of wonder in a complex organ called the human brain that didn’t exist anywhere in the Universe when the journey began.”

Onwillekeurig roept dit soort gedachtenoefeningen de vraag op of wij de enige wezens zijn die zich hierover verwonderen. Hoewel er wetenschappers zijn geweest die statistische berekeningen hebben gemaakt dat in een universum zo groot als waarin wij leven er een behoorlijk grote kans zou moeten zijn dat er wellicht nog een miljoen vormen van intelligent leven zou moeten bestaan, is de kans dat we dat tegenkomen uitermate klein, als deze er überhaupt al is, omdat we in tijd en ruimte gescheiden zijn.

1.3. Tijd en relativiteit
Wanneer je het nieuws zit te kijken en je ziet een correspondent aan de andere kant van de wereld via een satellietverbinding praten met de nieuwslezer valt je al gauw op dat het enige tijd duurt voordat de correspondent de vraag verstaan heeft van de nieuwslezer. Je ziet terwijl er hier gesproken wordt de correspondent afwachtend staan kijken. Ook wanneer je mee gaat zitten liplezen met het antwoord dat de correspondent geeft, lijkt het alsof de lippen niet synchroon lopen met de tekst die hij uitspreekt. Blijkbaar lopen het beeld (licht) en de tekst (geluid) niet synchroon. Wanneer licht en geluid van hier naar de satelliet gaan en van de satelliet naar de correspondent en vice versa ontstaat er een tijdsverschil dat het licht er over doet om van daar naar hier te komen, en een ander tijdsverschil dat het geluid er over doet om van daar naar hier te komen. De snelheid van het licht is sneller dan van het geluid.

Afb. 1.5. Albert Einstein (1879 - 1955)

Dat het nog vreemder kan zitten met tijd dan dit, is iets wat Albert Einstein ons heeft laten zien. Hij toonde aan dat niets sneller dan het licht kan reizen en dat ruimte en tijd niet absoluut, maar relatief zijn aan diegene die observeert en datgene dat geobserveerd wordt. Dit klinkt op zichzelf nog niet zo spannend, of het zegt je nog niet zoveel, maar de consequenties hiervan zijn bizar. Om dit te begrijpen moet je het volgende voorstellen. Stel, jij zit in een trein die héél hard rijdt. Je verveelt je een beetje en gooit een balletje omhoog en naar beneden. Voor jou gaat het balletje recht omhoog en recht naar beneden. Stel je nu voor dat je beste vriend op het perron staat terwijl de trein langs raast. Hij verveelt zich ook en besluit jou te filmen met zijn mobiele telefoon. Hij vertraagt daarna het beeld dusdanig dat hij jou ziet zitten en het balletje ziet gooien. Hoe beweegt het balletje dan terwijl jij langsrijdt? Vast niet recht op en neer, maar eerder diagonaal. De bal lijkt zo voor jouw vriend dus meer afstand af te leggen tussen boven en beneden dan voor jou. Zo werkt dat ook met tijd (en met ruimte overigens), want hoe sneller jij reist, hoe langzamer jouw tijd gaat ten opzichte van je vriend en dit heeft merkwaardige consequenties.

Opdrachten

Bekijk nu de video op YouTube met de titel “Einstein's big idea” (4:11 min).

Opdracht 25

Leg uit na het zien van deze video waarom de vaststelling “niets gaat sneller dan het licht” tijdreizen tot consequentie zou hebben?

Opdracht 26

Google naar “Twin paradox” en maak een tekeningetje van wat dit bekende gedachten experiment inhoudt.

Tijd blijkt dus afhankelijk te zijn van degene die observeert en wordt dus hiermee relatief. Tot nu toe lijkt het alsof we ons alleen baseren op de claimtester logica, immers dit idee kwam voort uit de berekeningen van Einstein. Maar we hebben inmiddels ook empirisch (= wetenschappelijk) bewijs voor het feit dat tijd relatief is. Zo bleken de atoomklokjes aan boord van een straaljager iets achter te lopen dan die aan boord van straaljagers die aan de grond waren blijven staan. Ook in ons dagelijks leven moeten we rekening houden met de relativiteit van tijd. De satellieten die verantwoordelijk zijn voor onze GPS systemen bewegen met zo’n 14.000 km/uur rond de Aarde. Als we die niet zouden corrigeren zou de TomTom er de hele tijd flink naast zitten.