Voor een negenjarige

Gefeliciteerd met je verjaardag. Fijn dat je ouder geworden bent, dat doe ik zelf ook graag (leven is heel leuk, heus, je kunt het niet genoeg doen). Ik hoop ook dat jij het afgelopen jaar steeds hebt nagedacht over Alles Wat Er Is. Ik had je beloofd dat ik verder zou vertellen over ruimte en tijd. Heb jij inmiddels over die deeltjes doorgedacht? Ik hoop dat je net zo hard gelachen hebt als ik over die malle mevrouw die beweerde dat er vrouwelijke en mannelijke deeltjes bestaan. En dat je haar, met alle andere Ouderen & Wijzeren (O&W) maar hebt laten kletsen terwijl jij lachte en nadacht (dat gaat uitstekend samen).

Maar goed, over ruimte en tijd dus. Eerst even iets afspreken: vanaf nu, als ik `ruimte' zeg, bedoel ik eigenlijk `ruimte en tijd'. Die zijn net zo sterk met elkaar verbonden als boven & onder, links & rechts: de een kan niet zonder de ander. Hoe dat precies zit, leg ik misschien later wel eens uit.

Net als de vorige keer waarschuw ik je: natuurkunde is niet moeilijk, maar vreemd. En na die vreemde deeltjes van verleden jaar komt hier de vreemdheid van vandaag: de zin ``het Heelal bestaat uit deeltjes, ruimte en tijd'' moet je letterlijk zo opvatten. Als je weet hoe je het moet aanpakken (en daar gaan we het over hebben) is ruimte net zo tastbaar als hout. Dat je het niet kunt zien zegt niks. In de oertijd dacht men ook dat lucht `niets' is, ondanks dat men de wind toch duidelijk kon voelen en vogels kon zien vliegen.

Ik hoor je al zeggen: als ruimte echt iets is, dan moet het ook merkbare eigenschappen hebben, net als de lucht wind veroorzaakt en je met hout boomhutten kunt bouwen. Gelukkig is dàt een makkie, want de belangrijkste eigenschappen van de ruimte kun je zelf meteen nagaan. Pak je schaatsplank uit de kast, zoek buiten een mooie vlakke stoep of plein, stap op en zet je af. Let goed op! Niet alleen op wandelaars en brommers, maar vooral op jezelf. Wat gebeurt er met je als je van de ene plek naar de andere zoeft? Nou, niets. Dat is zó gewoon dat je het het niet gek meer vindt. Maar je hebt zojuist een van de vreemdste eigenschappen van de ruimte gemeten: alle plekken in de ruimte zijn hetzelfde, het maakt niet uit waar je staat. De ruimte is homogeen. En het wordt nog mooier: nu je toch stilstaat, draai je eens om je as, zodat je achtereenvolgens alle hoeken van het plein te zien krijgt. Wat gebeurt er? Alweer niets. Alle richtingen in de ruimte zijn hetzelfde, de ruimte is isotroop (de leraar Grieks wil je die woorden wel uitleggen).

Als je door de ruimte wandelt doe je eigenlijk een natuurkundeproef. Let op: als je van het ene punt naar het andere gaat, verander je niet plotseling in een pompoen, zoals de koets van Assepoester. Het kàn best, het is ook makkelijk voorstelbaar (ooit geloofde ik zelfs in Sinterklaas), maar het gebeurt niet. De homogeniteit van de ruimte is zó maf dat het je niet eens opvalt! Het echte wonder is onzichtbaar. Wonder en is gheen wonder, was de lijfspreuk van Simon Stevin (van wie je op school alleen hoort vanwege zijn zeilwagen, maar dat was gewoon een zomerspelletje). Letten op zulke wonderen is de taak van de kunstenaar en van de natuurkundige.

Omdat de ruimte homogeen is, heeft het geen zin om bewegingen te beschrijven door alleen de plaats van dingen aan te geven. Maar het wordt nog gekker. Vooruit, je schaatsplank op, en zoef van de ene kant van het plein naar de andere. Tegen lastige wandelaars roepen: Opzij, natuurkundeproef! Vliegend huiswerk! Wat gebeurt er? Alweer niets, dat wist je al, maar nu heb je geleerd om extra goed op te letten. Je merkt dat de wereld om je heen er nog steeds hetzelfde uitziet, ondanks dat je voortdurend van plaats verandert. Kortom, je beweegt met een zekere snelheid en n=g gebeurt er niks! Doe je ogen maar dicht als je durft, het maakt niet uit of je beweegt of stilstaat.

Niet alleen de plaats waar je staat doet er niet toe, het maakt ook niet uit of je beweegt. Zoiets noemen wij relativiteit (lerares Latijn vragen!) Pas in de zeventiende eeuw kwamen we daar achter dankzij Huygens (en eerder Galilei). Daarom zijn zij helden voor ons.

Het maakt niet uit of je beweegt of stilstaat. Tenminste, zolang je met constante snelheid beweegt, want als je aan de rand van het plein tegen een bankje opknalt merk je wèl iets. Au! Een harde maar leerzame manier om een nog groter wonder te ontdekken. Nooit vergeten: een snelheid merk je niet, een verandering van de snelheid wel. Zo'n verandering heet een versnelling. Conclusie: bewegingen moet je niet beschrijven door alleen de plaats of de snelheid aan te geven; alleen de verandering van de snelheid speelt een rol.

Voor die beschrijving moet je dus een formule bedenken waarin al die versnellingen bij elkaar worden opgeteld. Dat is bijzonder lastig, maar we weten nu hoe het moet dankzij Leibniz en Newton (weer twee helden), en zo kunnen we raketten naar Jupiter sturen die op een afstand van een paar miljard kilometer aankomen met een precisie van een paar honderd meter.

De Natuur heeft ons een prachtige kool gestoofd. In plaats van eens en vooral vast te leggen wat de plaats van de dingen is, in plaats van vast te leggen wat de snelheden van de deeltjes zijn, gaat het om versnellingen. Omdat het niet om absolute waarden gaat maar om relatieve, zijn er talloze mogelijkheden voor bewegingen, oneindig veel! Als alleen de absolute plaats telde, was dat niet zo. Net zoals jij, zittend op een vaste plaats in de klas, minder kunt doen dan vrij lopend buiten.

Nu zit je daar naast een bankje je blauwe plekken te wrijven, en denkt: goed dan, die malle ruimte is homogeen, en we hebben die relativiteit volgens Huygens. Maar blijkbaar gebeuren er pas interessante dingen als de snelheid verandert. Hoe zit het daar dan mee?

Dat is nog veel gekker en nog veel mooier, en daarover vertel ik later. Vóór je volgende verjaardag! Laat me je vast een idee geven waarover het gaat, dan kun je er zelf eerst over nadenken (dat is altijd het beste). Eigenlijk is de ruimte namelijk helemáál niet homogeen, maar dat heeft de Natuur zó listig verborgen dat het tot 1916 heeft geduurd voordat Einstein het ontdekte.

Ruimte en tijd zijn echt, het is bouwmateriaal, net als baksteen en cement. En je kunt er dan ook net zo over praten. Als jij architect wilt worden (ik hoop dat je natuurkunde spannender vindt, maar doe vooral je eigen zin), dan kun je de bouw van een huis beschrijven door alle stenen te nummeren en op te schrijven welke nummers naast elkaar gemetseld zijn. Er zijn rijke Amerikanen geweest die zo hele bruggen en andere gebouwen steen voor steen uit Europa naar Amerika hebben gebracht en daar weer opgebouwd.

Dat kan je met ruimte ook doen. Het is eigenlijk nog eenvoudiger dan die Amerikaanse bouwdoos: je kunt de structuur van de hele ruimte in kaart brengen door op te schrijven wat de afstand is tussen elk paar punten in de ruimte. Dat is ontdekt door Einstein en door Minkowski (weer twee van onze helden). Simpeler kan al bijna niet! En wat dat met versnelling te maken heeft vertel ik later.

Denk jij intussen na over wonder-en-is-gheen-wonder. Je zult het helemaal zelf moeten opknappen, want als je echt iets wezenlijk nieuws wilt doen, vertrouw dan niet op volwassenen. Die zijn alleen uit op nut en winst. Ga jij maar lekker door met leven en leren, en als je later ècht iets nieuws ontdekt, is het jouw beurt om het aan acht- en negenjarigen uit te leggen. En neem dan meteen even de moeite om het aan een bejaarde zoals ik te vertellen. Ik hoop dat ook ik het dan zal begrijpen.