Meneer de rector magnificus,
geachte toehoorders,
meten is weten; dit adagium is een van
de pijlers van de natuurkunde. Het aardige van ons vak is echter, dat met
het
voortschrijden van het theoretisch inzicht enerzijds,
en de techniek anderzijds, de grens tussen wat meetbaar en wat niet
meetbaar is steeds opschuift. Zo
breidt het domein van de natuurkunde zich voortdurend uit, en is fundamenteel
onder-
zoek ook letterlijk grensverleggend onderzoek:
er wordt niet alleen nieuwe kennis vergaard, maar er worden hele nieuwe
gebieden van kennis ontsloten.
Ik zal u een voorbeeld geven. Grote delen van
de wetenschap en techniek, met al hun toepassingen in de wereld van alle
dag, komen voort uit het onderzoek waarmee in
de afgelopen eeuw de wereld van atomen en moleculen is opengelegd.
Dat onderzoek leverde de sleutel tot het begrijpen
van zulke uiteenlopende zaken als de structuur van vaste stoffen, half-
geleiders, het laserprincipe en de moleculaire
basis van de erfelijkheid. Daarmee is het fundament gelegd voor een samen-
leving waaruit electronica, telecommunicatie,
computers of moderne medische diagnostiek -om een paar voorbeelden te
noemen- niet meer zijn weg te denken. Toch was
honderd jaar geleden zelfs het bestaan van atomen en moleculen onder
serieuze en gerespecteerde onderzoekers nog niet
algemeen geaccepteerd en een onderwerp van wetenschappelijke dis-
cussie. Aan dit debat zijn beroemde namen verbonden,
waaronder die van Boltzman, Maxwell, Mach, Oswald, Thomson
en niet in het minst ook die van onze landgenoten
Lorentz, van der Waals en Zeeman. Albert Einstein heeft als jong onder-
zoeker zijn naam onder meer gevestigd met een
theoretische verklaring van een tamelijk obscuur verschijnsel -de Brownse
beweging, de chaotische beweging van deeltjes
gesuspendeerd in een vloeistof- waarin het bestaan van moleculen een
essentiele rol speelde.
Dit voorbeeld staat niet alleen. Andere werelden
van verschijnselen en nieuwe horizonten zijn in de loop der tijd door on-
derzoek in zicht gekomen. Zo bestuderen we op
nog kleinere schaal de wereld van atoomkernen en subatomaire deeltjes
met supermicroscopen gevormd door deeltjesversnellers
en deeltjesdetectoren. Aan de andere kant verschaffen radiotele-
scopen op aarde, en infrarood- en roentgentelescopen
aan boord van satelieten, ons nieuwe ogen om het heelal mee te
bekijken en spectaculaire verschijnselen te zien,
waarvan het bestaan vroeger niet eens werd vermoed.
Een steeds terugkerend aspect is daarbij, dat
verschijnselen die eerst zelf onderwerp van fundamenteel onderzoek zijn,
naarmate ze beter begrepen worden langzamerhand
tot middel, tot instrument worden om weer verder of dieper te kun-
nen schouwen. Op deze manier leidt het fundamenteel
onderzoek tot een uitdijend heelal van kennis, waarbij voor steeds
nieuwe gebieden van onderzoek en toepassingen
ruimte ontstaat.
Ik wil dit proces voor u in meer detail aanschouwelijk
maken door u iets te vertellen over ontwikkelingen in een gebied van
de natuurkunde waar ik zelf bij betrokken ben.
Het is een gebied van onderzoek dat zuiver fundamenteel van aard is, waar-
bij de vragen komen vanuit de wetenschap zelf.
In dit geval betreft het vragen over de aard van de zwaartekracht, enerzijds
als meetkundig effect van ruimte en tijd, anderzijds
als krachtveld en drager van natuurkundige grootheden als energie en
impuls.
We zijn door ervaring en onderzoek bekend met
vier fundamentele natuurkrachten, die tot op heden niet tot andere of tot
elkaar herleid zijn; de elektrische en magnetische
krachten behoren samen tot een categorie, die misschien wel het meest be-
palend is voor het aanzien van de wereld en het
heelal in het stadium waarin wij er getuige van zijn. Daarnaast zijn er
twee
soorten krachten die de eigenschappen en het
gedrag van subatomaire deeltjes bepalen, de kleurkracht die quarks tot
kern-
deeltjes bindt, en de zwakke kracht die de bron
is van transmutaties van kernen en kerndeeltjes, bij voorbeeld bij de ver-
smelting van waterstofkernen tot helium in de
zon. De vierde kracht, veruit de zwakste van allemaal, is de zwaartekracht.
De zwaartekracht is verantwoordelijk voor de beweging
van de planeten om de zon, en van de maan om de aarde. Zij
houdt ons natuurlijk ook aan de aarde gekluisterd.
In de zeventiende eeuw gaf Newton
als eerste een algemene wiskundige
beschrijving van de zwaartekracht, waarmee de
banen van de planeten uitgerekend en voorspeld konden worden. Diezelfde
wet kon ook de valbeweging van voorwerpen en
de banen van projectielen op aarde verklaren. Daarom was Newtons wet
van de zwaartekracht niet alleen wiskundig succesvol,
maar voerde ook tot het inzicht dat de hemelmechanica en de mecha-
nica van de valbeweging uit een en hetzelfde
natuurkundige principe verklaard konden worden. Het inzicht dat er universele
natuurwetten bestaan, die door de menselijke
geest te vatten zijn en die geldigheid bezitten ver voorbij onze eigen
plaats en
tijd in de kosmos, is een van de belangrijkste
bijdragen van de zeventiende eeuwse natuurwetenschap aan ons moderne
wereldbeeld geweest. Het is een Leitmotiv dat
zo diep in de voorstellingswereld van natuurkundigen verankerd ligt en
zo
vanzelfsprekend lijkt, dat onderzoekers zich
er vaak nauwelijks nog rekenschap van geven.
Newtons theorie van de zwaartekracht was dus zowel
inhoudelijk als conceptueel een belangrijke ontwikkeling, waarbij
de grens van het kenbare ineens tot in het rijk
van de sterren werd verlegd. Toch was de theorie op den duur niet geheel
bevredigend. Aan de ene kant waren er een paar
kleine problemen met de baan van Mercurius, de planeet het dichtsts bij
de zon, die niet verklaard konden worden. Aan
de andere kant voerden nieuwe ontwikkelingen in de natuurkunde van de
elektrische en magnetische verschijnselen tot
een veel subtielere opvatting van het begrip krachtveld, waaraan de theorie
van Newton niet voldeed. De belangrijkste van
deze inzichten waren dat krachtvelden zich niet onmiddellijk door de ruimte
uitbreiden, maar met een eindige snelheid, en
in ieder geval niet sneller dan het licht. En voorts, dat zich uitbreidende
kracht-
velden energie en informatie kunnen overdragen
tussen de bron en de ontvanger. In het geval van het elektrische en magne-
tische velden leidde dit concreet tot de voorspelling
van het bestaan van elektromagnetische golven, zoals radiogolven; en
tevens tot het inzicht dat ook licht zelf een
soortgelijk golfverschijnsel van het elektromagnetische veld is.
In 1915 publiceerde Einstein de Algemene Relativiteitstheorie,
waarin hij een beschrijving van de zwaartekracht gaf in over-
eenstemming met de nieuwe inzichten over de aard
van krachtvelden. Zo breiden verstoringen in het zwaartekrachtveld zich
volgens deze theorie ook met een eindige snelheid
uit, en wel eveneens met de lichtsnelheid; daarbij wordt energie overge-
bracht van de bron waarin de verstoringen ontstaan,
naar de ontvanger die het veranderend zwaartekrachtveld waarneemt.
Met andere woorden, de Algemene Relativiteitstheorie
voorspelt het bestaan van zwaartekrachtgolven.
Daarnaast is het een kenmerk van deze theorie,
evenals van die van de andere natuurkrachten, dat de lichtsnelheid in de
lege
ruimte de status van universele natuurconstante
heeft, een grootheid die voor iedere waarnemer dezelfde waarde heeft. Dat
betekent, dat er in deze beschrijving van de
natuur een bijzonder verband bestaat tussen ruimte en tijd: wanneer licht
dan wel
zwaartekrachtgolven door de lege ruimte reizen,
leggen ze altijd en in ieder referentiekader in dezelfde tijd dezelfde
afstand
af, onafhankelijk van de bewegingstoestand van
de waarnemer. Over de merkwaardige verschijnselen en paradoxen die het
gevolg zijn van dit natuurkundig feit en hun
verklaring zal ik hier niet uitweiden, maar het is voor mijn betoog van
belang, dat
ruimte en tijd niet onafhankelijk van elkaar
bestaan en dat in samenhang daarmee aan het zwaartekrachtveld een meetkundige
interpretatie gegeven kan worden; in deze meetkundige
opvatting is de zwaartekracht toe te schrijven aan een vervorming van
de ruimte en de tijd, waardoor voorwerpen naar
elkaar toe of van elkaar af bewegen.
Dat zo'n interpretatie mogelijk is heeft vooral
te maken met een speciale eigenschap van de zwaartekracht, die deze kracht
onderscheidt van alle andere: zwaartekracht is
de enige universele kracht. Daarmee bedoel ik, dat alle voorwerpen
onder
invloed van de zwaartekracht staan, en bovendien
in gelijke mate. Elektrische velden oefenen krachten uit op geladen deeltjes,
maar niet op voorwerpen zonder lading. Soortgelijke
beweringen kunnen worden gedaan over kleurkrachten, die werkzaam
zijn op deeltjes in de atoomkern zoals quarks,
maar niet op de elektronen die de buitenste schil van het atoom vormen.
De
versnelling die een voorwerp onder invloed van
de zwaartekracht ondergaat is echter onafhankelijk van de aard van dat
voor-
werp. Op de middelbare school heeft u hiervan
misschien wel eens een demonstratie gezien: in het luchtledige valt een
veer
net zo hard als een ijzeren kogel. Deze universaliteit
van de valversnelling vormt de grondslag van de meetkundige interpre-
tatie van de zwaartekracht. Immers, om een bewegingseffect
van voorwerpen toe te schrijven aan de eigenschappen van de
ruimte waarin het voorwerp beweegt, in plaats
van aan de eigenschappen van het voorwerp zelf, moet het effect voor alle
voorwerpen optreden zonder onderscheid naar hun
aard.
Een direct gevolg van de universaliteit van de
zwaartekracht is, dat alle objecten in principe even sterk de invloed van
zwaar-
tekrachtgolven ondergaan. Terwijl je een speciale
antenne nodig hebt, waarin elektrische stromen kunnen lopen, om radio-
of televisiesignalen uit de ether te kunnen plukken,
en een menselijk of elektrisch oog om licht te kunnen waarnemen, is ieder
materieel object gevoelig voor zwaartekrachtsgolven.
De uitwerking van zwaartekrachtsgolven is dat de afstanden tussen alle
materiedeeltjes zowel als hun onderlinge snelheden
veranderen. Voor grotere voorwerpen bestaande uit vele deeltjes is het
netto gevolg hiervan dat deze voorwerpen vervormen
en b.v. mechanisch kunnen gaan trillen. De effecten van zwaartekracht-
golven hebben in dat opzicht meer weg van geluid
dan van licht.
De Algemene Relativiteitstheorie doet nog andere
voorspellingen dan het bestaan van zwaartekrachtgolven. Zo wijken de
planetenbanen volgens deze theorie iets af van
de banen die uit Newtons wet worden berekend - precies zo veel als nodig
om de waargenomen afwijkingen in de baan van
Mercurius te kunnen verklaren. Ook voorspelde Einstein op grond van zijn
theorie dat licht zou worden afgebogen in een
zwaartekrachtveld, omdat de zwaartekracht nu eenmaal universeel is en ook
de uitbreiding van een lichtsignaal door de meetkunde
van ruimte en tijd wordt bepaald. Dit effect is inmiddels vele malen
waargenomen, bij voorbeeld tijdens zonsverduisteringen
als sterren nog zichtbaar blijven die eigenlijk al achter de donkere
maanschijf verdwenen hadden moeten zijn. Het
verschijnsel is zelfs van object van onderzoek intussen tot middel geworden
om in het heelal te speuren naar donkere materie;
dat is materie die geen of onvoldoende licht uitstraalt om met een telescoop
zichtbaar te zijn, maar die zich kan verraden
door de vervorming van beelden van verder weggelegen sterrenstelsels. Het
licht
wordt namelijk afgebogen in het zwaartekrachtveld
van de donkere materie, zodat die donkere materie in feite als lens werkt
voor het licht van de erachter liggende bronnen.
Op deze manier kan het bestaan van niet-lichtgevende materie in het heelal
worden vastgesteld. Uit deze voorbeelden moge
blijken dat de Algemene Relativiteitstheorie als beschrijving van de zwaarte-
krachtverschijnselen zeer succesvol is; tot nu
toe heeft ze op alle punten waarop ze meetbare afwijkingen van de oude
theorie
van Newton voorspelt gelijk gekregen.
De betekenis van een theorie als de Algemene Relativiteitstheorie
is dus niet alleen dat ze de waarnemingen beter beschrijft
dan de oude, maar meer nog dat ze nieuwe
verschijnselen voorspelt, waarvan in de oudere theorie geheel geen
sprake was.
Drie van zulke verschijnselen wil ik hier in
het bijzonder naar voren halen, omdat ze op dit ogenblik in het centrum
van de
wetenschappelijke belangstelling staan. Ten eerste
voorspelt de theorie het bestaan van zwarte gaten; dat zijn objecten die
zo
compact zijn, dat ze onder de invloed van hun
eigen zwaartekracht ineenstorten en niet meer kunnen stoppen. Het veld
van
een zwart gat is binnen een bepaald gebied rond
het object zo sterk, dat zelfs licht erin naar binnen valt en niet in staat
is op
eigen kracht weer naar buiten te treden; vandaar
de naam van deze objecten. Sterrenkundigen vermoeden een groot aantal
zwarte gaten in het heelal, sommigen met een
massa van een flinke ster, anderen met een massa miljoenen keer zo groot
als
die van de zon. Zo'n groot zwart gat zou zich
bij voorbeeld op kunnen houden in het centrum van onze eigen Melkweg.
Ten tweede voorspelt de theorie, dat het heelal
niet statisch is maar zich in de tijd ontwikkelt. Dit is geheel in overeenstem-
ming met de waarnemingen van astronomen, die
zien dat alle sterrenstelsels ver weg in het heelal van ons af bewegen,
en
wel met een gemiddeld grotere snelheid naarmate
ze zich verder weg bevinden. De onvermijdelijke conclusie hieruit is dat
het heelal uitdijt, en dat het dus in het verleden
veel kleiner, compacter en dan ook heter moet zijn geweest dan het nu is.
Daarvoor bestaan nog meer aanwijzingen dan alleen
de uitdijing van het zichtbare heelal. De belangrijkste daarvan is een
achtergrondstraling van microgolven, van dezelfde
soort die ook wordt opgewekt als u uw magnetron aanzet. Deze micro-
golfstraling, die overal in het heelal aanwezig
is, werd ruim dertig jaar geleden bij toeval ontdekt en is een overblijfsel
uit
een tijd dat er nog geen stabiele atomen waren,
omdat het eenvoudig te heet was in het heelal. De eerste atomen konden
pas ontstaan, in de vorm van wolken neutraal
waterstof en helium, toen de gemiddelde temperatuur in het heelal tot onge-
veer 3000 graden was gedaald; het heelal was
toen zo'n 300 000 jaar oud, nog zeer jong in vergelijking met de meer dan
10 miljard jaar die het nu telt. Maar het licht
en de warmtestraling die het heelal toen voornamelijk vulden zijn nog altijd
op
de achtergrond aanwezig. Het grote verschil is,
dat het heelal sindsdien vele malen groter geworden, waarbij de temperatuur
van de straling is gedaald van de 3000 graden
toen tot een schamele 2,7 graden boven het absolute nulpunt nu. Deze rest-
straling is in zekere zin het veruit oudste verschijnsel
dat tot op heden met wetenschappelijke instrumenten is waargenomen.
De bestudering van deze straling, met name de
kleine temperatuurvariaties die er in voorkomen, leert ons iets over de
struc-
tuur van het heelal in een tijd lang voordat
de eerste sterren ontstonden. De instrumenten waarmee deze straling is
ontdekt
en wordt bestudeerd hebben daarmee een grens
in de tijd verlegd. Ze vertellen ons iets over een periode uit het verleden
van onze wereld waarvan we niet alleen eens dachten
dat die voor altijd een gesloten boek zou blijven, maar waarvan men
een eeuw geleden zelfs niet wist dat hij er ooit
was geweest.
De derde belangrijke voorspelling van de Algemene
Relativiteitstheorie is het bestaan van de reeds besproken zwaarte-
krachtgolven. Zulke golven, ook wel gravitatiestraling
genoemd, zijn tot heden echter nooit rechtstreeks waargenomen. De
belangrijkste reden daarvoor is dat de zwaartekracht
zo onvoorstelbaar zwak is vergeleken met alle andere natuurkrachten
die we kennen. Laten we ons als voorbeeld een
zwaartekrachtgolf voorstellen met een frequentie van 440 Hz; dat is de
frequentie van de grondtoon, de a, van
ons westers toonsysteem. Als zo'n zwaartekrachtgolf voorbij komt, wordt
alles
440 keer per seconde beurtelings eerst langer
en dunner, vervolgens korter en breder. In het natuurkundig jargon heet
dat
een quadrupooltrilling. Laten we aannemen dat
de zwaartekrachtgolf een intensiteit heeft van 120 dB, equivalent aan een
watt per vierkante meter; in het geval van geluid
is dat aan de pijngrens van het gehoor, een zeer sterk signaal. In het
geval
van de zwaartekracht betekent deze intensiteit
echter, dat uw lengte 440 keer per seconde met ongeveer een tienduizendste
van de grootte van een atoomkern toe- en afneemt.
Als u bedenkt dat de atomen in uw lichaam alleen al tengevolge van uw
lichaamswarmte bewegen over afstanden die zo'n
tien miljoen maal groter zijn, dan kunt u begrijpen dat het effect van
een
zwaartekrachtgolf verwaarloosbaar klein is. Gedurende
de eerste vijftig jaar na de ontwikkeling van Einsteins zwaartekracht-
theorie gold dit verschijnsel dan ook als onmeetbaar,
en werden er zelfs geen pogingen ondernomen om het bestaan van
zwaartekrachtgolven vast te stellen.
Tegenwoordig wordt het meten van zulke kleine
effecten eerder gezien als een uitdaging, moeilijk maar zeker niet hopeloos.
Voor het opvangen en waarnemen van zwaartekrachtgolven
ontwikkelt men speciale technieken, die ervoor moeten zorgen
dat het signaal van de zwaartekrachtgolf versterkt
wordt, terwijl alle andere trillingen in de ontvanger worden onderdrukt.
Een
methode bedacht door Joseph Weber, waaraan in
de loop der tijd veel gewerkt en verbeterd is, gebruikt een grote metalen
resonator,die
vrij wordt opgehangen om geen last te hebben van storingen uit de omgeving.
De resonator wordt uitgerust met
zeer gevoelige sensors die de bewegingen van
het metaaloppervlak registreren en versterken. Om de effecten van de warmte-
beweging van de atomen in het metaal te onderdrukken,
koelt men de resonator af tot beneden de temperatuur van vloeibaar
helium, slechts een tiende of misschien een honderdste
graad verwijderd van het absolute nulpunt.
Een andere techniek waarin veel wordt geinvesteerd
maakt gebruik van lasers, waarvan het licht heen en weer loopt tussen
twee paar spiegels in onderling loodrechte richtingen.
In een dergelijke interferometer
wordt
onder invloed van een zwaarte-
krachtgolf beurtelings de ene dan wel de andere
arm langer of korter. Zo ontstaat er een verschil in de aankomsttijden
van de
twee lichtsignalen dat je kunt proberen te meten.
Welke methode je ook wilt gebruiken, in alle gevallen is het van groot
belang
de stand van de techniek verder te brengen, of
het nu gaat om het meten van verplaatsingen, de ruisarme koeling van grote
objecten of de stabiliteit van lasers.
Dat werpt de vraag op, hoe gevoelig deze instrumenten
moeten worden om met enige zekerheid zwaartekrachtgolven te
gaan waarnemen. Daarmee stellen we tegelijk de
vraag naar de bronnen van zwaartekrachtgolven: waar en hoe worden deze
opgewekt, en met welke karakteristieke frequentie
en sterkte? Om een antwoord op die vraag te krijgen kunnen we het best
eerst eens kijken naar de enige objecten in het
heelal waarvan we uit waarnemingen vrijwel zeker weten dat ze gravitatie-
golven produceren, en met welke intensiteit.
Het betreft een exotisch soort dubbelsterren, twee sterren die om elkaar
heen
draaien zoals ook de aarde en de maan om elkaar
draaien. In dit geval zijn het zeer compacte sterren die geen zichtbaar
licht
produceren, alleen een karakteristiek radiosignaal;
ze zijn onder invloed van hun eigen gewicht deels ineengestort, maar niet
zover dat ze een zwart gat hebben gevormd. In
plaats daarvan lijken ze elk meer op een reusachtige atoomkern, grotendeels
bestaand uit neutronen, met een dichtheid van
ongeveer een biljoen kilogram per kubieke centimeter; zo'n neutronenster
bevat
een half miljoen aardmassa's in een bol van 20
km doorsnede. Wanneer twee van zulke objecten met grote snelheid om elkaar
heen bewegen produceren ze een aanzienlijke hoeveelheid
zwaartekrachtstraling. Deze kunnen we weliswaar niet rechtstreeks
meten, maar men heeft vastgesteld dat hun onderlinge
afstand langzaam afneemt, wat betekent dat de twee sterren energie ver-
liezen. Het energieverlies per omwenteling komt
precies overeen met de te verwachten intensiteit van de zwaartekrachtgolven
die het stelsel volgens de Algemene Relativiteitstheorie
moet wegstralen. Dit is dus een zeer sterke indirekte aanwijzing voor het
bestaan van zwaartekrachtgolven.
Omdat we ook bij benadering weten hoever sommige
dubbele neutronensterren van ons verwijderd zijn, kunnen we de sterkte
van hun gravitatiestraling op het moment dat
deze de aarde passeert eenvoudig narekenen. Deze golven hebben een frequentie
van ongeveer een tienduizendste herz, en een
intensiteit overeenkomend met minder dan 10 dB, een onhoorbare ruis beneden
fluisterniveau. De lengteverandering die ze veroorzaken
in een meetinstrument op aarde, b.v. een van de nu in gebruik zijnde
Weber resonatoren, is dan honderd keer kleiner
dan in het eerder gegeven voorbeeld, ongeveer een miljoenste van de diame-
ter van een atoomkern. Zo'n zwak en laagfrequent
signaal is op aarde niet te meten, maar de Europese en Amerikaanse ruimte-
vaartorganisaties ESA en NASA hebben een plan
ontworpen voor een laserinterferometer
geplaatst
op een drietal satelieten
in de ruimte, waarbij de afstand tussen de zender
en ontvanger van het lasersignaal 5 miljoen kilometer wordt. Het effect
van
de zwaartekrachtgolf wordt dan tienduizend keer
groter dan in een interferometer op aarde. Als dit plan wordt verwezenlijkt,
is er een goede kans dat de zwaartekrachtgolven
van dubbele neutronensterren wel waargenomen kunnen worden.
Om zwaartekrachtgolven op aarde te kunnen detecteren
moeten ze aanzienlijk hogere frequenties hebben, in de buurt van
50 Hz of daarboven. Bij lagere frequenties heeft
men teveel last van trillingen van de aarde zelf. Hoger-frequente signalen
worden b.v. verwacht van het soort sterexplosie
dat bekend staat als een supernova; daarbij wordt een zware ster aan het
eind van haar leven instabiel, de kern stort
in tot een neutronenster, terwijl de meer naar buiten gelegen lagen worden
weg-
geblazen. Hierbij komen zeer grote hoeveelheden
deeltjes, energie en straling vrij, waaronder ook straling in de vorm van
zwaartekrachtgolven. Omdat het eigenlijke instorten
van de kern zeer snel gaat, in een fractie van een seconde, verwacht
men zwaartekrachtgolven in een korte, intense
puls. Daaronder bevinden zich dan golven van alle mogelijke frequenties,
maar vooral in het gebied tussen 1 en 1000 Hz.
Als zo'n supernova zich in ons eigen melkwegstelsel zou bevinden, zouden
de zwaartekrachtgolven met de huidige generatie
instrumenten al meetbaar moeten zijn. Aangezien supernovae echter zeer
zeldzaam zijn, kun je alleen verwachten er met
enige regelmaat een waar te nemen -zeg, een paar keer per jaar- als je
ook
de zwaartekrachtgolven van supernovae in ver
weg gelegen sterrenstelsels kunt detecteren, tot op een afstand van honderd
miljoen lichtjaar. Dat betekent, dat van zo'n
supernova het licht en de zwaartekrachtgolven honderd miljoen jaar onderweg
zijn geweest voor ze ons bereiken. Deze signalen
zijn uiterst zwak; ook in dit geval is de bijhorende gemiddelde verplaatsing
van het oppervlak van een resonator niet meer
dan een miljoenste van de diameter van een atoomkern. Daar staat tegenover,
dat bij deze frequentie de energie groter en
de achtergrondruis veel kleiner is; bovendien gaat het er niet om de beweging
van
een enkel atoom te meten, maar de gemeenschappelijke
verplaatsing van een zeer groot aantal (zo'n 10^{24}) atomen. Zo'n
collectieve beweging bij hoge frequenties is
naar verwachting wel detecteerbaar. Deze voorbeelden illustreren voldoende
de uitdaging waar mijn collega's in de experimentele
natuurkunde voor staan.
Laten we er met gepast optimisme van uit gaan,
dat zij over enige jaren in hun opzet slagen, en zwaartekrachtgolven kunnen
waarnemen. Dan is de natuurkunde van de zwaartekrachtstraling
daarmee nog niet af. Integendeel, dan wordt het pas echt
interessant. Want hoewel we met dubbele neutronensterren
en supernovae beschikken over identificeerbare bronnen van
zwaartekrachtgolven, zijn er mogelijk andere
bronnen die ons veel meer kunnen leren. Het gaat dan om verschijnselen
waar
we nu nog weinig tot niets van weten, juist omdat
gravitatiestraling er de belangrijkste of enige bron van informatie over
is.
In de eerste plaats zouden dat zwarte gaten kunnen
zijn. Als u de wetenschapspagina's van uw krant met enige regelmaat
leest, dan weet u misschien dat er aanwijzingen
zijn dat zich een groot zwart gat bevindt in het centrale deel van ons
eigen
Melkwegstelsel. Dit zwart gat zou wat zijn afmetingen
betreft vergelijkbaar zijn met de zon, maar ruim een miljoen keer
zoveel massa bevatten. Andere sterrenstelsels,
zoals de Andromedanevel, bevatten waarschijnlijk ook zulke massieve
zwarte gaten in hun centrum, sommige zelfs twee:
een dubbelstelsel van twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien.
Het zwaartekrachtveld aan het oppervlak van zo'n
zwart gat is een miljoen keer zo sterk als dat van de zon, of meer. Dat
oppervlak wordt soms aangeduid met de term horizon,
omdat het principieel onmogelijk is van buiten af verder dan dit
oppervlak te kijken. Het relatief sterke zwaartekrachtveld,
samen met de grote dichtheid van sterren en andere materie in het
centrum van de Melkweg, maakt dat de donkere
ster langzaam groeit door voortdurend materie uit de omgeving in te vangen
en op te slokken. Meestal verloopt dit proces
vrij geleidelijk, waarbij een schijf van gas en stof om de donkere ster
wordt
gevormd van waaruit materie in het zwarte gat
valt. Maar af en toe zou het een groter object kunnen tegenkomen, dat wordt
ingevangen. Daarbij wordt het oppervlak van het
zwarte gat tijdelijk sterk verstoord, en de enige manier waarop het tot
een
nieuw evenwicht kan komen is door het uitzenden
van gravitatiestraling. Op die manier zouden zwaartekrachtgolven ons in
principe informatie kunnen geven over de dynamica
van de horizon van een zwart gat. Voor het bestuderen van zulke ver-
schijnselen is het kunnen detecteren van zwaartekrachtgolven
een noodzaak.
Een geheel andere vorm van meetbare zwaartekrachtstraling
komt mogelijk uit de allervroegste ontwikkelingsfase van het
heelal. Ik heb u reeds verteld over de microgolf-achtergrondstraling
die vrij rondzwerft door het heelal sinds dit een paar
honderduizend jaar oud was. Deze straling bevat
nog een aanzienlijke hoeveelheid informatie over de toestand van het
heelal in die tijd. Het is evenzo aannemelijk,
dat er in het heelal een reststraling is van zwaartekrachtgolven, afkomstig
uit
een tijd dat de wisselwerking tussen materie
en zwaartekracht veel sterker was dan heden ten dage. Als er zo'n fase
is
geweest, dan zouden nog rondzwervende zwaartekrachtgolven
uit die tijd misschien informatie kunnen geven over deze
zeer vroege periode in de ontwikkeling van het
heelal.
Onder theoretisch natuurkundigen is er een sterke
consensus dat er zo'n periode van sterke zwaartekracht in het vroege
heelal moet zijn geweest. Dit berust onder meer
op de overweging dat alle krachtvelden, kernkrachtvelden, elektromagne-
tische velden, en naar men mag aannemen ook de
zwaartekracht, zich op verschillende afstandschalen verschillend mani-
festeren. In het bijzonder is het gedrag van
krachtvelden over zeer korte afstanden kwalitatief verschillend van dat
over
grotere. Op microscopische schaal is het gedrag
van deeltjes en krachtvelden namelijk onderworpen aan de regels van
de quantumtheorie. Volgens deze theorie is het
onderscheid tussen materiedeeltjes en krachtvelden op het niveau van
atomaire afstanden en daarbeneden, veel minder
uitgesproken dan wij in de praktijk van alledaagse macroscopische ver-
schijselen gewend zijn. Zo kan men deeltjes opvatten
als geconcentreerde pakketjes energie gevormd door een veld dat
zich over de hele ruimte uitstrekt; voor zover
van toepassing kunnen deze veldquanta ook lading of andere fysische groot-
heden meedragen. Omgekeerd bestaat in dit beeld
een typisch golfverschijnsel als straling ook uit zulke gelokaliseerde
energiepakketjes, met deeltjesachtige eigenschappen.
Zo kennen we lichtdeeltjes, fotonen; deeltjes die verbonden zijn
met de kleurkrachten, gluonen; en deeltjes
die de zwakke krachten overbrengen, de zwakke vectorbosonen, ook
W-
en Z-bosonen genoemd. Ook voor het zwaartekrachtveld
moet een dergelijke beschrijving van toepassing zijn. Zwaarte-
krachtstraling zou dan bestaan uit een stroom
zwaartekrachtdeeltjes, de hypothetische gravitonen.
Het dynamisch gedrag van zulke quanta is, vooral
gedurende korte tijden en over kleine afstanden, verschillend van dat van
de klassieke golven die door het veld gedragen
worden. De sterkte van de wisselwerking tussen veld en materie wordt daar-
bij afhankelijk van de afstand waarover die wisselwerking
plaats heeft. Deze effecten worden daadwerkelijk in experimenten
gemeten, zowel voor de elektromagnetische als
voor de kleurkrachten: elektrische krachten worden sterker over kleine
af-
standen, terwijl de kleurkrachten tussen quarks
juist zwakker worden wanneer de quarks dicht opeen zitten.
Nu moet ik u eerlijkheidshalve vertellen, dat
er geen algemeen geaccepteerde quantumtheorie van de zwaartekracht bestaat.
Sterker nog, het onderbrengen van de zwaartekracht
in het raamwerk van de quantumtheorie is een van de grootste proble-
men waar de theoretische natuurkunde op dit ogenblik
mee worstelt, vooral omdat er veel wiskundige problemen de kop op-
steken waarvan nog niemand precies weet hoe ze
aan te pakken. Er zijn een aantal idee-en in omloop, waarvan de bekendste
veronderstelt dat op fundamenteel niveau de natuur
niet alleen uit de voeten kan met deeltjes en hun wisselwerkingen, maar
ook een prominente plaats inruimt voor fundamentele
snaartjes, membranen en andere objecten met een ruimtelijke uitbreiding.
Hoe dan ook, al is er onzekerheid over de juiste
aanpak van de quantumzwaartekracht, dat quanta als gravitonen daarin een
rol spelen, en dat hun wisselwerking met de materie
sterk wordt wanneer de afstand tussen deeltjes heel klein is, is in al
die
theorie-en een gemeenschappelijk element.
Wat daarbij de relevante afstandschaal is, daarover
bestaat enige discussie. In het standaardscenario is dit de Plancklengte,
een afstand van slechts 10^{-33} cm. Dat is even
klein in vergelijking met een atoomkern, als een atoomkern in vergelijking
met de aarde. In het verre verleden, toen de
gemiddelde afstand tussen deeltjes in vroege heelal van deze orde van grootte
was, moet de zwaartekracht een overheersende
rol gespeeld hebben. Dat was gedurende slechts een minieme fractie van
de
eerste seconde in het bestaan van het heelal.
Er zijn echter ook niet-standaard scenario's waarin b.v. extra ruimte-dimensies
een rol spelen; de karakteristieke schaal van
de quantumzwaartekracht zou dan een flink stuk groter kunnen zijn. Met
deze
opmerking overschrijd ik echter de grens van
de wetenschap en kom ik op het terrein van de speculatie. Ik zal mij daarop
niet verder begeven, maar het illustreert wel
dat een behoorlijke hoeveelheid verbeeldingskracht soms nuttig en nodig
is om
de wetenschap vooruit te helpen.
In het voorgaande heb ik voor u een beeld geschetst
van een gebied van de natuurkunde in ontwikkeling, de natuurkunde
van de relativistische zwaartekrachtsverschijnselen.
Ik heb benadrukt dat de belangstelling van de onderzoekers daarin voor-
namelijk gedreven wordt door de wetenschappelijke
vraagstelling: het fysisch karakter van ruimte en tijd, zwarte gaten, en
de
condities in het vroege heelal. Een belangrijke
mijlpaal op dit gebied wordt bereikt als zwaartekrachtgolven direct gedetecteerd
kunnen worden. Daarmee zal een nieuw venster
op de natuur en op het heelal geopend worden. Nieuwe verschijnselen, tot
zo-
ver ontoegankelijk voor onderzoek, zullen toegankelijk
gemaakt worden. De instrumenten die daartoe ontwikkeld worden zullen
daarna ongetwijfeld ook toepassing vinden in
andere gebieden van onderzoek, en mogelijk daarbuiten. In ieder geval zal
dan
opnieuw een grens aan wat binnen het domein van
wetenschappelijk onderzoek valt zijn verlegd.
Uit mijn verhaal moge duidelijk zijn dat het waarnemen
en verklaren van een natuurkundig verschijnsel, zoals in dit geval
zwaartekrachtgolven niet alleen een vooruitgang
voor de natuurkunde betekent, maar ook voor de wetenschappen die van de
natuurkunde gebruik maken. In dit geval zal dat
in de eerste plaats de sterrenkunde zijn. Aan het begin van mijn betoog
heb
ik al voorbeelden gegeven van de impuls die natuurkundige
ontdekkingen in het verleden hebben gegeven aan andere weten-
schappelijke en technische ontwikkelingen met
grote gevolgen voor de maatschappij. Daarbij hoeft men niet alleen te denken
aan economische gevolgen, maar evenzeer aan de
gevolgen voor het wereldbeeld en het zelfbeeld dat wij mensen aan deze
ontwikkelingen ontlenen.
Het is verre van mij om aan deze vaststelling
de conclusie te verbinden dat daarmee al die andere gebieden van wetenschap
en techniek tot onderdeel van de natuurkunde
zouden worden gemaakt. Een betere en bescheidener opvatting lijkt mij,
dat
de natuurkunde door telkens de grenzen van het
waarneembare en meetbare te verleggen ook andere gebieden van onderzoek
nieuwe mogelijkheden en middelen tot vooruitgang
verschaft. Dat maakt het belang van fundamenteel onderzoek in de natuur-
kunde niet geringerer, maar juist groter.
---
Dit betoogd hebbende wil ik, alvorens mijn rede te be-eindigen, nog enige woorden van dank spreken.
Het bestuur van de Stichting Hoge-Energiefysica
wil ik bedanken voor de eer en het vertrouwen mij betoond door mij op
deze leerstoel te benoemen. Ik zie het als een
voorrecht de ontwikkelingen op het gebied van de theoretische fysica, in
het
bijzonder de theorie van de fundamentele wisselwerkingen,
aan deze universiteit te mogen onderwijzen en bevorderen. Deze
dank geldt tevens allen die zich voor mijn benoeming
hebben ingezet.
Mijnheer de rector magnificus, leden van het College
van Bestuur en van het College van Decanen van de Vrije Universiteit,
leden van de faculteit der Exacte Wetenschappen,
ik verheug mij op de tijd die ik bij u zal doorbrengen. Ik hoop dat ik
iets
van betekenis zal kunnen toevoegen aan het spectrum
van onderzoek en onderwijs dat de faculteit biedt. Voor mijzelf is de
verbreding van mijn perspectief op de wetenschap
in een universitaire omgeving een aantrekkelijk vooruitzicht.
Mijn thuisinstituut, het NIKHEF,
heeft mij niet alleen toestemming gegeven deze leerstoel te aanvaarden,
maar mij daarin
ook aangemoedigd. Ik ben het NIKHEF daarvoor
zeer erkentelijk. Ik zal mij voor het instituut, en voor de theoriegroep
in
het bijzonder, met enthousiasme blijven inzetten.
Mijn wetenschappelijke vorming vond voor een belangrijk
deel plaats aan de universiteit van Leiden. Het heeft me zowel de
brede basis als de specialistische kennis verschaft
die nodig zijn voor het verrichten van zelfstandig onderzoek. Ik dank mijn
promotor en co-promotor voor hetgeen ze daaraan
hebben bijgedragen. Ziehier het resultaat.
Zeergeleerde Verzantvoort, lieve Angelique,
je bent door de jaren heen mijn toeverlaat geweest,
maar ook een inspirerend voorbeeld door je persoonlijke en
professionele inzet en integriteit. Aanvaard
mijn bewondering en dank.
Mijn kinderen herinneren mij dagelijks aan het
belang van nieuwsgierigheid en verwondering. Hou dat vast, verwondering
is de eerste stap naar inzicht.
Tot slot gaat mijn dank uit naar mijn beide ouders,
die mij op alle mogelijke manieren hebben gesteund, en mij altijd
hebben aangemoedigd mijn eigen belangstelling
en weg te volgen.
Ik heb gezegd.
---
Rede uitgesproken bij de aanvaarding van het ambt
van bijzonder hoogleraar
in de theoretische natuurkunde aan de Vrije Universiteit
op 9 juni 2000.