Zwarte gaten? Einstein geloofde er niks van

De theorie Bestaan zwarte gaten? Een hele trits bekende en minder bekende fysici heeft de basis gelegd voor de theorie. Dankzij hen kon de beroemde foto gemaakt worden. Wie gaan de volgende keten van nieuwsgierige mensen vormen?

Het negatief waarmee Arthur Eddington de algemene relativiteitstheorie bevestigde, genomen op het eiland Principe in de Golf van Guinee tijdens de zonsverduistering van 1919. Het licht van sterren nabij de zon, tussen de horizontale lijnen, is enigszins afgebogen.
Het negatief waarmee Arthur Eddington de algemene relativiteitstheorie bevestigde, genomen op het eiland Principe in de Golf van Guinee tijdens de zonsverduistering van 1919. Het licht van sterren nabij de zon, tussen de horizontale lijnen, is enigszins afgebogen. Foto Science Photo Library

Op 10 april kreeg de wereld de eerste foto van een zwart gat ooit te zien. En wie dacht niet – meteen of na een tijdje – aan Einstein? Hij bedacht ruim honderd jaar geleden de algemene relativiteitstheorie die het bestaan van zwarte gaten voorspelde. Op de foto ziet de schaduw van het superzware zwarte gat in sterrenstelsel M87 en van het niemandsland daaromheen er bovendien exact zo uit als door die theorie voorspeld. En ook het gloeiende gas dat rond dat niemandsland raast en (nog) net niet onherroepelijk achter de grens met dat duistere land verdwijnt, voldoet aan alle verwachtingen.

Lees ook het andere deel van dit tweeluik: De volgende foto van een zwart gat wordt een filmpje

Toch is er één kanttekening: het klopt niet dat Einstein het (alweer) correct voorspeld had, zoals vaak werd gezegd. Zwarte gaten volgen direct uit zijn algemene relativiteitstheorie, dat is waar. Maar wat ze vooral illustreren is hoe theorieën hun eigen leven gaan leiden en door anderen verder worden uitgewerkt. Want: Einstein zelf geloofde helemaal niet in zwarte gaten.

Hevig kanongebulder

De eerste die wél inzag dat Einsteins theorie tot „astrofysische singulariteiten” kon leiden, was de Duitse fysicus Karl Schwarzschild. „Zoals u ziet staat de oorlog het mij toe om, ondanks het hevige kanongebulder, een wandeling te maken in uw ideeënlandschap”, schreef hij vlak voor Kerst 1915 vanaf het Oostfront aan Einstein. In de kou daar had Schwarzschild voor het eerst de exacte oplossingen gevonden van Einsteins vergelijkingen die de ruimtetijd meer of minder laten krommen onder invloed van zware en minder zware massa’s – zoals sterren, de zon of de aarde.

Niet veel later kreeg Einstein weer post van Schwarzschild. „Singulariteiten”, samenballingen van heel veel massa in één ultracompact punt, zouden de ruimtetijd zozeer krommen dat „putten” ontstonden waaruit niets, zelfs licht niet, kon ontsnappen, stond in die tweede brief. Daarna was het voor Schwarzschild afgelopen. Kort nadat hij zijn brieven had verstuurd, overleed hij aan een ziekte.

De rest van de wereld beleefde het krap een jaar na de Eerste Wereldoorlog als een sensatie dat de Britse astronoom Arthur Eddington de theorie van zijn Berlijnse collega had getoetst. Eddington had tijdens de zonsverduistering van 29 mei 1919 op het eiland Principe, voor de West-Afrikaanse kust, op fotografische platen vastgelegd dat de zon inderdaad de ruimtetijd kromt en sterlicht laat afbuigen. En iedereen stond paf dat tijdens de oorlog een pacifistische geleerde in stilte de ideeën over ruimte en tijd omver gekegeld had. Ook Einstein zelf was tevreden. „Goed nieuws vandaag”, schreef Einstein aan zijn zieke moeder toen hij vier maanden na de zonsverduistering, op 22 september, Eddingtons definitieve resultaten vernam uit een telegram van de Nederlandse Nobelprijswinnaar en fysicus Hendrik Lorentz.

Spijtig voor de lieve Heer

Of dat telegram Einstein echt enorm verrast had, is een andere kwestie. Wat als Eddington geen afbuiging had gevonden? Op die vraag zou Einstein volgens de overlevering hebben gezegd: „Dat zou ik spijtig hebben gevonden voor de Lieve Heer, maar de theorie is correct.” Toch was er in elk geval (minstens één) uitkomst van de theorie waar Einstein niet in geloofde: de singulariteiten van Schwarzschild. Zelfs jaren later, in 1939, toen hij alweer zes jaar in Princeton woonde, legde Einstein in de Annals of Mathematics nog eens met een trits formules uit dat de „Schwarzschild singularities in de fysische werkelijkheid niet bestaan”.

In die jaren dertig hadden astronomen meer belangstelling voor de relativiteitstheorie dan fysici, die zich op de quantummechanica stortten. Astrofysici hadden ook gezien dat de natuur materie inderdaad zo dicht op elkaar kan persen dat er putten in de ruimtetijd worden geslagen. Op de boot onderweg naar het Britse Cambridge had de Indiase astrofysicus Subrahmanyan Chandrasekhar in 1930 uitgerekend dat sterren die aan het einde van hun leven zwaarder zijn dan 1,4 zonsmassa’s niet ‘rustig’ uitdoven. Wetten uit de quantummechanica die elementaire bouwsteentjes van materie op zekere afstand van elkaar houden, wijken in zulke zware sterren onder de druk van de instortende massa. Zo kan materie veel dichter op elkaar worden geperst dan normaal gesproken is toegestaan.

Sterke telescopen

De Amerikaanse fysicus Robert Oppenheimer werkte dat idee in 1939 met collega’s uit voor een ander geval. Aan Einsteins publicatie over de onmogelijkheid van zwarte gaten, die kort daarvoor was gepubliceerd, maakten ze geen woorden vuil. Wél lieten ze zien dat heel zware sterren soms ultra-compacte ‘neutronensterren’ kunnen worden, en dat ook die verder kunnen instorten, wanneer ze zwaar genoeg zijn. Daarmee leek de weg naar Schwarzschilds singulariteiten vrij. Maar pas in de jaren zestig – na de Tweede Wereldoorlog, het Manhattan-project en de wederopbouw in Europa – zouden sterke telescopen er voor het eerst aanwijzingen voor vinden.

Intussen zijn er daarvan veel. Opnames van de sterrendans rond het donkere hart van veel sterrenstelsels verraden indirect dat zich daar een gapend zwart gat bevindt. De supergevoelige antennes van LIGO en VIRGO pikken de sidderingen op die door de ruimte trekken wanneer twee zwarte gaten met elkaar versmelten. En nu ligt er dus zelfs een foto waarop het zwarte gat ons aankijkt. Zou Einstein een scherpe oneliner uit zijn mouw hebben geschud als hij die had kunnen zien?

Door Eddingtons resultaten werd Einstein in 1919 in een nieuwe rol gekatapulteerd. Zijn belangrijkste wetenschappelijke werk was af: zijn algemene relativiteitstheorie had de ideeën over ruimte en tijd bijgesteld en zijn ideeën over het foto-elektrisch effect waren een opmaat tot de quantummechanica geweest. Alles wat hij daarna nog bedacht was een toegift (de paradoxen en proeven die moesten aantonen dat de quantummechanica te bizar was om waar te zijn bijvoorbeeld – en die dat bizarre gedrag dan toch steeds bevestigden) en daarnaast was hij vooral het allereerste wetenschappelijk idool ooit. Met zijn woeste haren, zware accent en die oneliners was Einstein het archetype van de geniale wetenschapper geworden.

Die ene geniale persoon

Dat archetype was afgelopen 10 april nadrukkelijk aanwezig tijdens de fotopresentatie. Als media tussen de tweehonderd wetenschappers die samen de foto hadden gemaakt, hardnekkig die ene geniale en cruciale persoon zochten bijvoorbeeld. Of wanneer andere wetenschappers die zwarte gaten groot maakten, ongenoemd bleven. En dat waren er veel.

De jong overleden Schwarzschild natuurlijk. Maar ook de geniale Emmy Noether die in 1918 Einsteins theorie een stevig wiskundig anker gaf door aan te tonen dat energie in Einsteins theorie een behouden grootheid was. Zelf had ze trouwens op dat moment formeel geen positie aan de universiteit en gaf ze onbezoldigd les onder andermans naam – dat alles omdat ze vrouw was.

Het werk van Chandrasekhar was cruciaal, zelfs al werd het als ‘bizar’ weggezet

Je zou Enrico Fermi en Satyendra Nath Bose kunnen noemen, omdat ze in de jaren 1920 het gedrag van grote groepen elementaire bouwsteentjes van materie hielpen doorgronden – kennis die nodig was om instortende sterren te begrijpen. En natuurlijk hoort de jonge Indiase astrofysicus Chandrasekhar erbij. Zijn werk was cruciaal voor de zwarte gaten, zelfs al werd het door de hooggeleerde Eddington als ‘bizar’ weggezet, en zelfs al werd Chandrasekhar in het deftige Cambridge ook verder zo hooghartig en racistisch bejegend dat hij in zijn schulp kroop en de zwarte gaten verder liet voor wat ze waren. Naast hem zouden dan Oppenheimer en collega’s kunnen staan, wier werk aan instortende sterren werd overschaduwd door het Manhattan-project, het werk aan de atoombom.

Een pietsje meer krediet

Sommige wetenschappers uit de zwartegatenketen, zoals Chandrasekhars voorlopers Edmund Stoner en Wilhelm Anderson, raakten goeddeels vergeten. Anderen, zoals de formidabele John Wheeler, kregen een pietsje meer krediet dan ze toekwam: de term ‘zwart gat’ werd niet door hem bedacht, zoals vaak beweerd, maar zong al een tijdje rond. Stephen Hawking werd zelfs haast net zo’n idool als Einstein toen hij liet zien dat zwarte gaten niet enkel kunnen ontstaan en bestaan, maar ook kunnen verdwijnen – verdampen.

Die keten van fysici en astronomen die (dit stuk van) Einsteins theorie tot bloei brengen en tegelijk grondstof leveren voor nieuwe theorieën, groeit nog altijd. Het idee dat zwarte gaten kunnen verdampen leidde bijvoorbeeld tot de ‘informatie-paradox’: wordt alle informatie in zwarte gaten vernietigd zoals in eerste instantie werd verwacht? Of kun je zwarte gaten toch uitlezen terwijl ze verdampen? Over zulke vragen hebben fysici als John Preskill, Kip Thorne, Gerard ’t Hooft en Leonard Susskind zich gebogen.

En wie weet, misschien vindt een vrouw, een man, of een groep ooit in zwarte gaten wel de sleutel voor nieuwe natuurkundige theorieën die eindelijk de kloof tussen de quantummechanica en Einsteins theorie kan overbruggen. Zal Einsteins werk dan standhouden? Eén ding lijkt zeker: het wordt niks met zulke nieuwe theorieën als niet opnieuw een keten van nieuwsgierige mensen aansluit.

Luister ook naar deze aflevering van onze podcastserie NRC Onbehaarde Apen: Wat weten we echt over zwarte gaten?
U kunt zich ook abonneren via Apple Podcasts, Stitcher, Spotify, Castbox of RSS.