Wat is ruimte eigenlijk?

De vraag die me mijn hele leven bezig heeft gehouden

Laat me met een bekentenis beginnen. Toen ik 16 was, stelde ik mezelf één vraag waar ik niet meer vanaf kwam: als ik naast een lichtstraal zou kunnen reizen — precies even snel — wat zou ik dan zien? Een stilstaand stukje licht, zeker? Dat kon niet kloppen. En om die vraag te beantwoorden, moest ik eerst begrijpen wat "ruimte" nou eigenlijk was. Iedereen denkt het te weten, maar niemand kan het echt zeggen. Laten we samen beginnen.

De vraag die je vergeet te stellen

Kijk even om je heen. Of beter nog — kijk naar niets. Naar de lege plek tussen je duim en wijsvinger als je ze uit elkaar houdt. Dat stukje lucht, dat niets — wat is dat? Je zou zeggen: "Daar is ruimte". Maar wat betekent dat?

Mijn leraar in Aarau vroeg dit eens aan onze klas. Iedereen lachte. Natuurlijk weten we wat ruimte is — het is waar dingen zijn. Maar stel je voor dat je ALLE dingen weghaalt. De moleculen lucht, het stof, alle atomen, alle licht. Blijft er dan nog ruimte over? Of verdwijnt ruimte ook?

Dit klinkt als een gek woordspelletje, maar geloof me: 2.500 jaar lang hebben denkers hierover geruzied. Aristoteles zei: zonder materie is er geen ruimte. Newton zei: ruimte bestaat gewoon, onafhankelijk van alles, als een soort onzichtbaar podium. Leibniz zei: ruimte is alleen maar de manier waarop dingen zich tot elkaar verhouden. En ik — ik moest ze alle drie op de kop zetten.

Waarom is ruimte zo lastig?

Het probleem is dat we ruimte nooit zien. We zien alleen de dingen erin. Een stoel. Een boom. Een ster. Ruimte zelf is onzichtbaar — we leiden hem af uit de afstanden tussen dingen.

Vergelijk het met water voor een vis. De vis zwemt in water, maar heeft waarschijnlijk geen idee dat water "iets" is. Voor hem is het gewoon "waar hij is". Pas als je hem uit het water haalt, merkt hij het. Wij zijn die vis. Ruimte is ons water.

En net als water is ruimte niet alleen maar een lege achtergrond. Dat is de grootste ontdekking van de moderne natuurkunde. Ruimte is iets. Hij kan buigen. Hij kan rekken. Hij kan trillen. Hij kan zelfs groeien — en hij doet dat nu, op dit moment, in elke hoek van het universum.

Newton had het "goed genoeg" — voor 200 jaar

Ga 300 jaar terug met mij. Isaac Newton, een van de grootste geesten ooit, had net zijn bewegingsleer afgerond. In zijn systeem is ruimte een soort oneindige, onveranderlijke doos. Een perfect kartoenachtig decor waarin planeten, appels en kanonskogels hun spel spelen. Tijd loopt voor iedereen gelijk. Ruimte is voor iedereen hetzelfde.

En weet je? Voor gewone snelheden en gewone situaties klopt dat prima. Als je een bal gooit, rijdt met de auto, of een raket naar de maan stuurt — Newton's ruimte-als-doos werkt uitstekend. Het is simpel, elegant, en voorspelt alles keurig.

Het probleem: toen we sneller en nauwkeuriger gingen meten, begon het te kraken. Merkwaardige feiten bleven opduiken. Licht deed dingen die niet klopten met Newton. De baan van Mercurius zat altijd net een beetje verkeerd. En er zat dat mysterieuze feit: de lichtsnelheid was voor iedereen hetzelfde, hoe hard je er ook naar toe reed. Dat kon niet kloppen in Newton's ruimte.

Mijn grote knikkende moment

In 1905 — ik zat nog in het octrooibureau in Bern — besefte ik iets. Als de lichtsnelheid echt voor iedereen hetzelfde is (en elk experiment bewees dat ze hetzelfde was), dan móesten ruimte en tijd zelf buigen om dat mogelijk te maken. Niet de lichtsnelheid moest "geven" — maar ruimte en tijd zelf.

Denk even mee. Als lichtsnelheid constant is, maar snelheid = afstand gedeeld door tijd... dan moeten afstand (ruimte!) en tijd voor verschillende waarnemers verschillend zijn, precies zodanig dat licht's snelheid gelijk blijft. Dat is geen trucje. Dat is letterlijk de werkelijkheid.

En in 1915, tien jaar later, ging ik nog verder. Ik liet zien dat massa — alles wat gewicht heeft — de ruimte om zich heen kromt. De zon zit niet gewoon in een lege ruimte. Hij vervormt de ruimte om zich heen, als een bowlingbal op een trampoline. De aarde draait niet om de zon omdat iets aan hem trekt — hij rolt door een kromme ruimte.

Deze gedachten schudden me elke dag opnieuw. Jou ook, hoop ik.

Oké, dus wat IS ruimte?

Laat me je het beste werkbare antwoord geven, want een preciezer kan ik niet:

Ruimte is een eigenschap van het universum die kan buigen, rekken, en trillen — en die bepaalt hoe dingen van elkaar afstaan, hoe licht reist, en hoe zwaartekracht werkt.

Dat is abstract. Maak het concreet:

• Ruimte is niet "niets" — hij heeft zelf een structuur.
• Ruimte is niet onveranderlijk — hij groeit op dit moment.
• Ruimte en tijd zijn niet apart — ze zijn twee kanten van hetzelfde ding, dat we "ruimtetijd" noemen.
• Ruimte kan golven — als twee zwarte gaten botsen, trilt de ruimte door het universum.

Die laatste is trouwens geen gedachte-experiment meer. In 2015 detecteerden wetenschappers voor het eerst een zwaartekrachtgolf: een rimpel in ruimtetijd, veroorzaakt door twee zwarte gaten die 1,3 miljard jaar geleden botsten. De rimpel reisde door het universum en bereikte ons. We voelden ruimte trillen. Dat is wat ik bedoel met: ruimte is een ding.

Hoeveel ruimte is er?

Hier wordt het duizelingwekkend. Kijk omhoog, naar een heldere nacht. Elk lichtpuntje is minstens miljarden kilometers weg. Maar er is een grens aan wat we kunnen zien — het waarneembare universum.

Licht reist snel, maar niet oneindig snel: 300.000 km per seconde. En het universum is 13,8 miljard jaar oud. Dus licht kan hooguit 13,8 miljard lichtjaar hebben gereisd sinds het begin. Maar — en hier wordt het subtiel — terwijl dat licht reisde, groeide de ruimte zelf uit. Dus de echte afstand tot de verste dingen die we kunnen zien, is nu ~46 miljard lichtjaar. In elke richting.

Het universum is in elk geval zo groot als die bol. Is er daarachter nog meer? Waarschijnlijk wel — veel, veel meer. Maar we zullen het nooit weten. Want licht van daar heeft ons nog niet kunnen bereiken, en zal dat ook nooit meer, want de ruimte daartussen groeit sneller dan licht ons kan bereiken.

Dimensies — hoeveel zijn er?

Je voelt drie richtingen: links-rechts, voor-achter, op-neer. Drie ruimtelijke dimensies. Voeg tijd toe — ja, tijd is ook een dimensie, volgens mijn relativiteit — en je hebt vier.

Maar sommige natuurkundigen die na mij kwamen, denken dat er veel meer zijn. Misschien 10 of 11 of zelfs 26. Maar dan onzichtbaar, opgerold tot punten zo klein dat we ze nooit kunnen zien. Dit heet "snaartheorie". Ik heb het nooit helemaal geaccepteerd tijdens mijn leven, omdat het nog niet bewezen was. Dat is nog steeds zo. Maar de wiskunde is prachtig.

Wat ik je wel kan zeggen: drie ruimtelijke dimensies + tijd, die zijn échte gegevens. Alle andere dimensies? Nog open vraag.

Heeft ruimte een "rand"?

Natuurlijk wil je dit vragen. Als het universum begon, moet er toch ergens een einde zijn?

Waarschijnlijk niet. Het is eerder als het oppervlak van een bol: geen rand, maar wel eindig (of juist oneindig, we weten het niet zeker). Als je in één richting zou reizen — en het universum is "gesloten" zoals een bol — kom je uiteindelijk weer thuis. Zonder ooit een rand te passeren. Cool idee, toch?

Maar of het universum "gesloten" of "oneindig" is, weten we niet met zekerheid. De beste metingen zeggen: zo groot als we kunnen kijken, lijkt hij vrijwel plat. Als er een rand is, is die heel ver weg.

Voor deze eerste les: de drie dingen om mee te nemen

Niet te veel tegelijk. Laten we met drie inzichten eindigen, die je de rest van de cursus bij je houdt:

1. Ruimte is bijna leeg, maar niet helemaal. Tussen sterren zit nauwelijks iets, maar toch wat. Ruimte zelf is het medium waarin alles gebeurt.
2. Ruimte is niet stijf — hij buigt en rekt. Massa buigt hem, uitdijing rekt hem uit. Hij is een acteur in het verhaal, geen decor.
3. We kijken altijd in het verleden. Licht heeft tijd nodig. Wat je nu van de zon ziet, is 8 minuten oud. Van Proxima Centauri: 4 jaar. Van de Andromeda-melkweg: 2,5 miljoen jaar.

Pak dit gerust opnieuw op als je het moet verwerken. De volgende les gaan we terug in de tijd — helemaal terug, naar een moment kleiner dan een seconde na het begin. De Big Bang. Waar tijd zelf begon, en waar al die ruimte vandaan kwam.

Tot dan. Blijf nieuwsgierig.