211service.com
Getijdekrachten dragen de wiskundige signatuur van zwaartekrachtsgolven
zwaartekrachtsgolven Getty
In februari 2016 kondigde een internationaal team van natuurkundigen de eerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven aan. De golven waren veroorzaakt door de gigantische botsing van een paar zwarte gaten, elk ongeveer 30 keer de massa van de zon - een ineenstorting die zo catastrofaal was dat hij rimpelingen veroorzaakte door het weefsel van de ruimtetijd.
De ontdekking was een triomf voor de natuurkundige gemeenschap. Ze wisten al lang dat Einsteins algemene relativiteitstheorie suggereerde dat rimpelingen in de ruimtetijd mogelijk waren. Deze golven knijpen en rekken de ruimte uit over afstanden die kleiner zijn dan de breedte van een proton. Om ze te spotten, bouwden natuurkundigen een netwerk van enorm gevoelige detectoren die meer dan een miljard dollar kosten. De ontdekking van de eerste golven in 2016 was dus zowel een verademing als een groot succes.
Nu zeggen twee natuurkundigen dat zwaartekrachtsgolven zich al die tijd in het zicht hebben verstopt. Rituparno Goswami aan de Universiteit van KwaZulu-Natal en George Ellis aan de Universiteit van Kaapstad, beide in Zuid-Afrika, gebruiken tegenwoordig wat wiskundige tovenarij om aan te tonen dat getijdekrachten zwaartekrachtsgolven zijn. Dit zijn dezelfde krachten die ervoor zorgen dat de zeespiegel stijgt en daalt als de maan rond de aarde beweegt. Getijdekrachten zijn eigenlijk een verborgen vorm van zwaartekrachtsgolven, zeggen ze.
Eerst wat achtergrond. Newtons zwaartekrachttheorie is gebaseerd op het idee dat alle massa's een aantrekkelijke zwaartekracht genereren die een grote verscheidenheid aan verschijnselen verklaart: de baan van een vallende appel, de beweging van de planeten rond de zon, enzovoort.
Newtons theorie verklaart ook de getijden. Deze zijn het resultaat van de manier waarop zwaartekrachten variëren met de afstand: de kant van de aarde die naar de maan is gericht ervaart een iets sterkere zwaartekracht dan de kant die van de aarde is afgekeerd. Het resultaat is een soort rek dat de oceanen heen en weer trekt terwijl de aarde draait.
Goswami en Ellis beginnen met erop te wijzen dat de theorie van Newton geen rekening houdt met een belangrijke natuurwet: dat niets sneller kan reizen dan de lichtsnelheid, zelfs de zwaartekracht niet. Het duurt dus even voordat de zwaartekracht van de maan de aarde bereikt. Geen enkele invloed kan sneller gaan dan de snelheid van het licht: de getijdeninvloed kan niet ogenblikkelijk zijn, zeggen de natuurkundigen.
Einstein formuleerde deze kosmische snelheidslimiet voor het eerst in zijn speciale relativiteitstheorie en nam deze later op in zijn algemene theorie, die de zwaartekracht beschrijft als een soort vervorming in het weefsel van ruimtetijd. Dit leidde meteen tot het idee dat deze stof golfachtige rimpelingen kon opvangen.
Goswami en Ellis zeggen dat getijdenkrachten een vorm van zwaartekrachtstraling zijn. Maar om golven te zijn, moeten ze in de tijd variëren op een speciale manier die wordt voorgeschreven door de algemene relativiteitstheorie. De natuurkundigen tonen vervolgens wiskundig aan dat de getijdenkrachten precies deze eigenschappen hebben, zij het op een veel kleinere schaal dan de golven die worden gegenereerd door botsingen met zwarte gaten. Het resultaat is enigszins technisch, maar niettemin interessant.
In wezen zeggen Goswami en Ellis dat getijdenkrachten laagfrequente zwaartekrachtsgolven zijn. Deze theorie doet enkele voorspellingen die verschillen van Newtons smaak van zwaartekracht. Goswami en Ellis wijzen er bijvoorbeeld op dat het 1,3 seconden duurt voordat de getijdenkrachten van de maan naar de aarde reizen. En als de oceaan overal zonder continenten uniform diep was, zouden de getijden 0,66 boogseconden achterlopen op de positie van de maan aan de hemel, zeggen ze. Dat is ongeveer de breedte van een cent gezien vanaf twee kilometer afstand.
Een dergelijk effect kan meetbaar zijn, hoewel Goswami en Ellis hun analyse niet uitbreiden om te suggereren hoe. Maar het betekent wel dat de effecten van zwaartekrachtsgolven veel gemakkelijker te herkennen zijn dan iemand zich ooit had kunnen voorstellen. Een dagje aan zee, iemand?
Referentie: arxiv.org/abs/1912.00591 : Getijdekrachten zijn zwaartekrachtgolven