verwaarloosbare verschuiving in lichtpatronen (onder, effen) in vergelijking met wat verwacht werd als de Galileïsche relativiteit waar zou zijn (onder, gestippeld). De lichtsnelheid was dezelfde ongeacht de richting waarin de interferometer was georiënteerd, dus met, loodrecht op of tegen de beweging van de aarde door de ruimte in. Albert A. Michelson (1881); A. A. Michelson en E. Morley (1887)

Dit heeft ons iets ongelooflijk belangrijks geleerd: de snelheid van het licht is onafhankelijk van elke relatieve beweging door de ruimte. Het maakt niet uit wie je bent, waar je bent, hoe snel of in welke richting je door het heelal reist, je zult altijd alle lichtgolven waarnemen die door de ruimte reizen met diezelfde universele snelheidslimiet: de snelheid van het licht in een vacuüm. Als jij en de bron van elkaar af bewegen, wordt de golflengte van het licht roodverschoven; als jullie naar elkaar toe bewegen, wordt de golflengte blauwverschoven. Maar de snelheid van het licht zelf verandert nooit door het vacuüm van de ruimte.

Dit idee was revolutionair toen Einstein het voorstelde, en veel professionele natuurkundigen hebben zich er decennia lang (ten onrechte) tegen verzet. De tegenstand maakte het echter niet minder waar. Maar de grote prijs bleef nog steeds over: gravitatie in de vergelijking opnemen.

relativiteitstheorie zijn uitgevoerd, waarbij het idee is onderworpen aan enkele van de strengste beperkingen die ooit door de mensheid zijn verkregen. De aanwezigheid van materie en energie in de ruimte vertelt de ruimtetijd hoe hij moet krommen, en die gekromde ruimtetijd vertelt materie en energie hoe zij moeten bewegen. Wetenschappelijke samenwerking LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT

Vóór Einstein was gravitatie een Newtoniaans verschijnsel. Volgens Newton waren ruimte en tijd absolute, in plaats van relatieve, entiteiten. De aantrekkingskracht tussen twee massa’s moest zich oneindig snel voortplanten, in plaats van beperkt te worden door de lichtsnelheid.

De grote revolutie die Einstein in de natuurkunde teweegbracht, was de omverwerping van dit beeld van gravitatie. Zeker, je kon de Newtoniaanse zwaartekracht gebruiken als een zeer goede benadering voor bijna alle omstandigheden, maar in situaties waarin materie of energie dicht langs een grote massa ging, gaf Newton niet de juiste antwoorden.

De baan van Mercurius ging meer voorwaarts dan Newton voorspelde. Licht dat tijdens een zonsverduistering dicht langs de zon scheerde, boog sterker af dan Newton kon verklaren.

toonde onomstotelijk aan dat de Algemene Relativiteitstheorie de buiging van sterlicht rond massieve objecten beschreef, en daarmee het Newtoniaanse beeld omver wierp. Dit was de eerste observationele bevestiging van Einsteins Algemene Relativiteit, en lijkt in overeenstemming te zijn met de ‘gebogen-ruimtedraad’ visualisatie. The Illustrated London News, 1919

Zoals het bewijs duidelijk liet zien, had Einstein’s Algemene Relativiteit – waar massa en energie de ruimte kromden en die gekromde ruimte de beweging van massa en energie bepaalde – de Newtoniaanse zwaartekracht verdrongen. Deze nieuwe conceptualisering van gravitatie en van de structuur van ruimte en tijd zelf bracht nog een andere openbaring met zich mee: het feit dat de structuur van het heelal, als het overal vol zat met ongeveer gelijke hoeveelheden materie en energie, niet statisch en onveranderlijk kon zijn.

In plaats daarvan, zoals waarnemingen al in de jaren twintig van de vorige eeuw definitief begonnen aan te tonen, was er een systematisch verband tussen de afstand van een object tot ons en de mate waarin het licht van dat object roodverschuiving vertoonde. Zeker, melkwegstelsels bewegen door de ruimte ten opzichte van elkaar, maar slechts met snelheden tot een paar duizend km/s. Maar als we de werkelijke roodverschuivingen van verre sterrenstelsels bekijken, komen die overeen met recessiesnelheden die veel, veel groter zijn dan die waarden.

Alle verre objecten, gezien vanaf hun type Ia supernovae. De gegevens wijzen sterk op een versnellend heelal. Op de y-as staan snelheden die de lichtsnelheid overschrijden, maar dit vertelt niet het hele verhaal over wat er werkelijk aan de hand is met het uitdijende heelal. Ned Wright, op basis van de nieuwste gegevens van Betoule et al.

De reden dat we deze kosmische roodverschuivingen zien schalen met de afstand, zoals wetenschappers al snel doorkregen, is dat het weefsel van het heelal zelf aan het uitdijen is. Net als rozijnen in een brood rozijnenbrooddeeg, zien alle sterrenstelsels in het heelal de andere sterrenstelsels van zich af bewegen, waarbij de verder weg gelegen rozijnen (of sterrenstelsels) sneller weg lijken te bewegen.

Maar waarom is dat?

Het is niet omdat de rozijnen bewegen ten opzichte van het deeg waarin ze zijn ingebed, en ook niet omdat de afzonderlijke sterrenstelsels door het weefsel van de ruimte bewegen. Het is eerder het gevolg van het feit dat het deeg zelf – net als de stof van de ruimte zelf – uitdijt, en de rozijnen (of sterrenstelsels) gaan gewoon mee op reis.

Heelal, waar relatieve afstanden toenemen als de ruimte (deeg) uitdijt. Hoe verder twee rozijnen van elkaar verwijderd zijn, hoe groter de waargenomen roodverschuiving zal zijn tegen de tijd dat het licht wordt ontvangen. De relatie roodverschuiving-afstand die wordt voorspeld door het uitdijende heelal wordt bevestigd door waarnemingen, en is consistent met wat al sinds de jaren twintig van de vorige eeuw bekend is. NASA / WMAP Science Team

Tussen haakjes, omdat deze objecten sterrenstelsels zijn, zitten ze vol met lichtgevende sterren. Ze zenden continu licht uit vanaf het moment dat ze voor het eerst aan gaan, maar wij kunnen ze pas waarnemen vanaf het moment dat het licht voor het eerst bij onze ogen aankomt na een reis door het heelal.

Niet het Newtoniaanse heelal, let wel: het uitdijende, Einsteiniaanse.

Dit betekent dat er sterrenstelsels zijn waarvan het licht nu pas voor het eerst hier op aarde aankomt, na een reis door het heelal van meer dan 13 miljard jaar. De eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal, en we hebben sterrenstelsels ontdekt van zo ver terug als toen het heelal nog maar 3% van zijn huidige leeftijd had. En toch is dat licht zo sterk roodverschoven door het uitdijende heelal dat het licht ultraviolet was toen het werd uitgezonden, maar al ver in het infrarood is tegen de tijd dat wij het kunnen waarnemen.

roodverschuivingen en hoe de afstanden tussen ongebonden objecten in de tijd veranderen in het uitdijende heelal. Merk op dat de objecten dichter bij elkaar beginnen dan de tijd die het licht nodig heeft om tussen hen te reizen, dat het licht roodverschuift als gevolg van de uitdijing van de ruimte, en dat de twee melkwegstelsels uiteindelijk veel verder van elkaar verwijderd zijn dan de licht-reisweg die het uitgewisselde foton tussen hen heeft afgelegd. Rob Knop

Als we ons afvroegen wat dit betekent voor de snelheid van dit verre sterrenstelsel, dat we nu pas waarnemen, dan zouden we concluderen dat dit sterrenstelsel veel sneller van ons wegtrekt dan de snelheid van het licht. Maar in werkelijkheid beweegt dat sterrenstelsel zich niet alleen niet met een relativistisch onmogelijke snelheid door het heelal, maar het beweegt zelfs nauwelijks! In plaats van snelheden van meer dan 299.792 km/s (de lichtsnelheid in een vacuüm), bewegen deze sterrenstelsels slechts met ~2% van de lichtsnelheid of minder door de ruimte.

Maar de ruimte zelf dijt uit, en dat verklaart het overgrote deel van de roodverschuiving die we zien. En de ruimte dijt niet uit met een snelheid; zij dijt uit met een snelheid per afstandseenheid: een heel ander soort snelheid. Wanneer je getallen ziet als 67 km/s/Mpc of 73 km/s/Mpc (de twee meest voorkomende waarden die kosmologen meten), dan zijn dat snelheden (km/s) per afstandseenheid (Mpc, of ongeveer 3,3 miljoen lichtjaar).

De beperking dat “niets sneller kan bewegen dan het licht” geldt alleen voor de beweging van objecten door de ruimte. De snelheid waarmee de ruimte zelf uitdijt – deze snelheid-per-afstandseenheid – heeft geen natuurkundige grenzen aan zijn bovengrens.

met de hoeveelheid die we kunnen bereiken (magenta). De grens van het zichtbare heelal is 46,1 miljard lichtjaar, want dat is de grens van hoe ver een object dat licht uitstraalde dat ons vandaag net zou bereiken, zou zijn na 13,8 miljard jaar van ons te zijn weggedreven. Maar verder dan ongeveer 18 miljard lichtjaar kunnen we nooit bij een sterrenstelsel komen, zelfs niet als we er met de snelheid van het licht naartoe zouden reizen. E. Siegel, gebaseerd op werk van Wikimedia Commons gebruikers Azcolvin 429 en Frédéric MICHEL

Het lijkt misschien vreemd om te bedenken wat dit allemaal inhoudt. Omdat we donkere energie hebben, zal de uitdijingssnelheid nooit tot nul dalen; hij zal op een positieve, eindige waarde blijven. Het betekent dat, hoewel er slechts 13,8 miljard jaar zijn verstreken sinds de oerknal, wij licht kunnen waarnemen van objecten die al 46,1 miljard lichtjaar van ons verwijderd zijn. En het betekent dat voorbij een fractie van die afstand – ongeveer 18 miljard lichtjaar – geen enkel object dat vandaag vanaf de aarde wordt gelanceerd het ooit zou kunnen bereiken.

Maar geen enkel object beweegt zich daadwerkelijk sneller door het heelal dan de lichtsnelheid. Het heelal dijt uit, maar de uitdijing heeft geen snelheid; het heeft een snelheid per afstandseenheid, die gelijk is aan een frequentie, of een inverse tijd. Een van de meest verrassende feiten over het heelal is dat als je de omrekening maakt en het omgekeerde van de uitdijingssnelheid neemt, je de “tijd” kunt berekenen die je eruit haalt.

Het antwoord? Ongeveer 13,8 miljard jaar: de leeftijd van het heelal. Er is geen fundamentele reden voor dat feit; het is gewoon een fascinerend kosmisch toeval.

Stuur je Ask Ethan-vragen naar startswithabang at gmail dot com!

Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.