Hoera, de Zuid-Limburgse bodem blijkt geschikt te zijn om de Einstein Telescoop stabiel in te verankeren. Het verheugende nieuws zal weinig wetenschappelijke liefhebbers zijn ontgaan gezien de media-aandacht die het bericht genereerde. De nieuwe zwaartekrachtdetector moet omstreeks 2026 op een meer verfijnde wijze ruimtetijdtrillingen gaan opvangen die bijvoorbeeld vrijkomen als twee zwarte gaten op elkaar botsen. De Amerikaanse Ligo-detector slaagde er drie jaar geleden voor het eerst in dergelijke zwaartekrachtgolven te meten. Behalve een spectaculaire bevestiging van Einsteins relativiteitstheorie, biedt deze techniek ook een heel nieuwe blik op het heelal. Alle reden dus om meer en betere zwaartekrachtdetectoren te bouwen. De Einstein Telescoop komt voort uit een Europese samenwerking, en Zuid-Limburg is een belangrijke kandidaat om het apparaat te huisvesten. Maar of Einstein Telescoop in dat geval nu de beste benaming is?
Zwaartekrachtdetectoren maken gebruik van interferometrie. Lichtgolven die op elkaar inwerken versterken elkaar op sommige plaatsen en verzwakken elkaar juist op andere plaatsen. Zo ontstaat een interferentiepatroon met een afwisseling van lichte en donkere delen. Een zwaartekrachtdetector laat twee laserstralen interfereren. Een rimpeling in de ruimtetijd verandert eventjes de afstand die de lichtstralen afleggen: dit verraadt zich in een gewijzigd interferentiepatroon (hoe miniem het effect ook is).
Voorbeeld van een interferentiepatroon. Foto Prof. dr. Claus Jönsson
Maar weinig mensen weten dat honderd jaar geleden een teruggetrokken Amsterdamse experimentator ook al bezig was met interferometrisch onderzoek naar de relativiteitstheorie. De serene wijze waarop hij in alle stilte tot zijn resultaten kwam, vormt een contrast met de bombarie waarmee tegenwoordig zelfs een grondboring voor een mogelijke toekomstige meetopstelling gepaard gaat. Toch ging het ook bij deze experimentator om onderzoek ‘von fundamentaler Bedeutung’, zoals zijn Duitse collega-fysicus Max von Laue het stelde.
De Zeeuwse domineeszoon Pieter Zeeman, want om hem gaat het, kende een spetterende entree in de wetenschappelijke arena. In 1896 ontdekte hij als assistent van de Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes het Zeemaneffect: spectraallijnen, door een verhit preparaat uitgezonden, bleken zich op te splitsen als het preparaat zich in een magneetveld bevond. Het leverde hem in 1902 de Nobelprijs op, samen met Hendrik Lorentz voor wiens ‘elektronentheorie’ het Zeemaneffect als een belangrijke bevestiging gold.
Einstein op bezoek bij Zeeman in mei 1920 (vlnr Zeeman, Einstein, Paul Ehrenfest) (collectie Rijksmuseum Boerhaave P10969)
Aan Zeemans lijf geen polonaise. Tussen zijn apparaten was hij het gelukkigst. Liet hem maar schuiven tussen de prisma’s, spectroscopen en elektromagneten. Met uiterste precisie en een grote volharding ging hij de natuur te lijf tot hij haar geheimen ontrafeld had. Een ‘Brahmaan der wetenschap’ noemde de wiskundige L.E.J. Brouwer hem ooit. De zachtaardige Zeeman zou zich slecht thuis hebben gevoeld in een tijd van over elkaar buitelende persberichten en sociale media. Misschien was Zeeman ook wel een beetje té bescheiden. Nadat hij in 1900 hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam was geworden creëerde hij een hoogwaardig onderzoeksapparaat op het gebied van spectrometrisch onderzoek, bekroond met het schitterende onderzoekslaboratorium ‘Physica’, dat in 1923 zijn deuren opende.
Bij Pieter Zeemans interferometrische Einstein-onderzoek ging het niet om de algemene, maar om de speciale relativiteitstheorie, en dus niet over zwaartekrachtvelden maar over Einsteins eerdere werk over vertraagde klokken, verkorte objecten en E = mc2. Zeeman keek in de eerste plaats naar hoe de lichtsnelheid veranderde in stromend water. Dat was geen sinecure want het betrof hier een combinatie van uiterst gevoelige metingen aan interfererende monochromatische lichtstralen die hij door het water stuurde en het relatief grof hydrodynamisch geweld van snel stromend water door metalen buizen. Voor hij aan het echte werk toekwam maakte hij eerst uitgebreid studie van de stromingssnelheden in de buizen. Twee keer herbouwde Zeeman zijn opstelling, met steeds wijdere buizen, voordat hij tevreden was.
Toestel om de lichtsnelheid in glazen staven te meten, 1919 (Collectie Rijksmuseum Boerhaave V09748)
De lichtsnelheid in bewegende media (zoals stromend water) hield de natuurkundigen al decennia lang bezig. Dit hield aanvankelijk verband met de pogingen om het bestaan van de ether aan te tonen. De ether was het hypothetische medium waardoor licht zich zou voortplanten. Eén van de waagstukken van de speciale relativiteitstheorie was dat Einstein daarin die ether doodleuk afschafte. De wijze waarop de speciale relativiteitstheorie de lichtsnelheid in bewegende media beschreef, was ook niet te rijmen met de ether-hypothese.
Indien de voorspelde waarde van de speciale relativiteitstheorie daadwerkelijk uit Zeemans opstelling zou rollen, dan zou dit, kortom, een welkom experimenteel bewijs voor de speciale relativiteitstheorie vormen. Einstein was dan ook in zijn nopjes toen dit daadwerkelijk het geval was. Er was, zo schreef hij Zeeman opgetogen, ‘eine bisher unangenehm fühlbare Lücke’ opgevuld: ‘Ich kann mir denken, wie schwierig es war, eine so hohe Präzision zu erreichen! En dat was het.
Waar de doorsnee fysicus in dit succesvolle resultaat alle aanleiding zou zien om - punt gemaakt - een nieuw onderwerp aan te vatten, ging Zeeman onverdroten verder. Na de lichtsnelheid in stromend water volgde nu die in bewegende glazen staven. Dat Zeeman ook deze metingen wist te volbrengen was technisch gezien een huzarenstukje, al voegde dit - heel eerlijk gezegd - wetenschappelijk gezien weinig meer toe. Toch zegt het feit dat hij ook hiervoor kosten noch moeite spaarde iets over de vastberadenheid en wetenschappelijke ethiek van de Amsterdamse fysicus om een experimentele opdracht niet als volbracht te beschouwen voordat deze werkelijk van alle mogelijke kanten en op alle mogelijke manieren is bekeken en getest.
Moet de Europese gravitatiedetector als hij in Nederland komt nu echt ‘Einstein Telescoop’ heten? Er bestaan al een Einstein-toren, een Einstein-laboratorium, een Einstein-instituut, café-Einstein, Einstein-zalen en Einstein-rooms, ja zelfs een Einstein escape-room en een Einstein klimhal. Bedenk iets originelers! Ik zou zeggen: vernoem de telescoop naar de flegmatieke fysicus die al een eeuw geleden verstopt tussen de apparaten pionierswerk leverde op het gebied van het interferometrische onderzoek naar Einsteins theorieën. Als een eerbetoon aan de prestaties van deze ingetogen Nobelprijswinnaar, maar ook als ode aan wetenschappelijke bescheidenheid en integriteit, en aan zuivere toewijding aan de wetenschap. Doop de Einstein Telescoop om in Zeeman Telescoop!
Verder lezen:
- A. Maas, B. Pimentel, ‘Zeeman en Einstein. Meeslepende metingen’, Studium 9 (2016), pp. 96-110.
