Er is een klassieke mythe
die zegt dat als iedereen in China tegelijkertijd omhoog springt,
de Aarde uit haar as zal worden geschud.
Ik heb de berekeningen gedaan en ik kan jullie verzekeren
dat de aardas volkomen veilig is.
Maar voor iemand die in de jaren 80 in Groot-Brittannië is opgegroeid,
komen dan de woorden ‘Michael Fish’ en ‘hurricane’ spontaan voor de geest.
Maar zelfs één enkele persoon die in de lucht springt,
kan, bij wijze van spreken, de Aarde doen bewegen.
Het probleem is dat het slechts in beperkte mate zo is.
Veronderstel dat we een meting konden doen,
niet over springende wetenschappers die de Aarde doen schudden,
maar een meting zo nauwkeurig
dat ze ons iets over de verandering en de vorm van de ruimte zelf kon vertellen.
Een verandering door een exploderende ster halverwege de Melkweg.
Dat klinkt echt als science fiction,
maar in feite bestaat een dergelijke machine al:
de laserinterferometer, een van de meest geavanceerde
wetenschappelijke instrumenten ooit gebouwd.
In een paar jaar tijd gaat hij voor ons
een geheel nieuwe manier bieden om te kijken naar het universum:
de gravitatiegolfsterrenkunde.
Gravitatiegolven zijn niet hetzelfde als licht.
Ze zijn geen deel van het licht- of elektromagnetisch spectrum,
dat gaat van radiogolven tot gammastraling.
We kennen al veel verschillende soorten licht
en in de afgelopen 60 jaar of zo
zijn we erg goed geworden in het onderzoeken van het heelal
met al die verschillende soorten licht.
Of het nu de bouw van een gigantische radiotelescoop op het aardoppervlak is
of een gammastraalobservatorium in de ruimte,
we hebben deze verschillende vensters op de kosmos gebruikt
om ons een aantal verbazingwekkende dingen te vertellen over hoe het universum werkt.
We hebben de geboorte en de dood van sterren gezien.
We hebben de harten van sterrenstelsels onderzocht.
We beginnen nu zelfs planeten als de Aarde te vinden
in een baan rond andere sterren.
Maar het gravitatiegolfspectrum zal helemaal anders zijn.
Het zal ons een venster geven op het heelal,
en enkele van de meest gewelddadige en energetische gebeurtenissen in de kosmos:
exploderende sterren, botsende zwarte gaten, misschien zelfs de Big Bang.
Wat zullen we nu leren
van dat gravitatiegolfvenster op het universum?
Wellicht het meest opwindend zijn de dingen die we nog niet kennen,
de zogenaamde onbekende onbekenden,
de dingen waarvan we niet eens weten dat we ze nog niet weten.
Het zal een paar jaar duren, maar we zijn er bijna.
Voordat we gaan praten over gravitatiegolven,
gaan we eens nadenken over de zwaartekracht.
Er is nog een mythe waarvan ik zeker weet dat iedereen erover heeft gehoord:
die over de appel op Isaac Newtons hoofd.
Ik ben niet eens zeker of er fruit bij te pas kwam,
maar vanwaar ook zijn inspiratie, Newton kwam met een zeer slim idee.
Hij kwam erachter dat hij dezelfde fysica kon gebruiken
voor het beschrijven van zowel een appel die van een boom valt
als de Maan in een baan om de Aarde.
Dit noemde hij zijn universele wet van de zwaartekracht.
Ze zegt dat alles in de kosmos al het andere aantrekt.
Het is een mooie theorie en ze is ook heel praktisch bruikbaar.
Ze laat ons allerlei nuttige dingen doen in onze moderne wereld
en dat al meer dan 300 jaar.
We kunnen vliegtuigen halverwege rond de wereld laten vliegen
en een raket naar de Maan en terug.
Maar er is een probleem met die wet, een filosofisch probleem.
Op een zeer fundamenteel niveau is ze niet echt zinvol,
omdat Newton zegt dat er een kracht werkt tussen de Aarde en de Maan.
Nou ja, hoe weet de Maan dat het de bedoeling is om om de Aarde cirkelen?
Hoe geraakt de kracht van de Aarde naar de Maan?
Dit was een probleem waar niemand minder dan Albert Einstein zich over verbaasde
in de vroege jaren van de 20e eeuw.
Einstein kwam met een echt opmerkelijk antwoord.
Nu was Albert Einstein waarschijnlijk de eerste wetenschapper die beroemd werd.
Hoewel hij stierf in 1955,
verkoos de redactie van Time magazine hem in 1999 tot persoon van de 20e eeuw.
Hoewel ik moet zeggen dat bij een publieke stemming op de website
Elvis Presley het haalde.
(Gelach)
Nu ben ik net als iedereen een grote fan van de muziek van de King,
maar hier ga ik toch akkoord met de uitgever.
Ik heb zelfs mijn eigenste action figure van Einstein op de universiteit.
(Gelach)
Waarom werd Einstein nu de persoon van de 20e eeuw?
Hij liet ons de zwaartekracht met andere ogen bekijken.
Voor Einstein is de zwaartekracht niet zozeer een kracht
tussen de Aarde en de Maan of tussen appels en bomen,
maar een buigen van ruimte en tijd zelf.
Een goede metafoor ziet
de Aarde liggend op een uitgerekt rubberen vlies,
als een trampoline.
De massa van de Aarde, de zeer grote massa van de Aarde,
zal dat vlies diep laten doorbuigen.
Dan hoeft de Maan
geen kracht van de Aarde meer te voelen.
De Maan volgt alleen maar de natuurlijke rondingen en bochten
van ruimte en tijd rond de Aarde.
In feite zei Einstein ook
dat we ruimte en tijd niet meer moeten zien als afzonderlijke dingen,
dus hoor je mensen praten over de structuur van ruimtetijd.
Einstein zei dat de zwaartekracht een buiging is van de ruimtetijd.
De natuurkundige John Wheeler formuleerde het treffend:
"De ruimtetijd vertelt materie hoe te bewegen
en materie vertelt de ruimtetijd hoe te buigen."
Dat klinkt allemaal heel gewichtig en fundamenteel
over de aard van het universum,
maar het heeft heel wat praktische toepassingen.
Hier beneden in de zwakke zwaartekracht van de Aarde,
doet de theorie van Einstein een zeer opmerkelijke voorspelling,
die je waarschijnlijk nog nooit eerder is opgevallen.
Wist je bijvoorbeeld
dat klokken trager lopen op het oppervlak van de Aarde
dan hoog boven de Aarde,
omdat het gravitatieveld er sterker is.
Misschien ken je scène in de film
'Mission Impossible Ghost Protocol',
als Tom Cruise de Burj Khalifa,
het hoogste gebouw ter wereld, beklimt.
Maar zelfs toen hij op 800 meter boven de grond zat,
ging Toms horloge -- ik weet zeker
dat hij het te druk had om het op te merken --
een paar miljardsten van een seconde sneller
dan het beneden op de begane grond zou hebben gedaan.
Wat maken nu een paar miljardsten seconden uit tussen vrienden?
Genoeg om een verschil te maken
voor het Global Positioning System.
De gegevens van de gps-satellieten moeten worden gecorrigeerd
omdat de tijd sneller loopt
op de hoogte waar de satellieten ronddraaien.
En dat is maar liefst 40 microseconden per dag.
De radiosignalen en microgolfsignalen van de satellieten
leggen ongeveer 10 kilometer af in 40 microseconden.
Denk maar aan hoe slecht je gps zou zijn,
als hij een fout van 10 kilometer had.
We zouden allemaal verdomd snel verdwalen.
Dus heeft Einsteins theorie van de zwaartekracht,
zijn algemene relativiteitstheorie,
praktische gevolgen voor ons dagelijks leven.
Maar pas diep in de ruimte krijg je de maximale effecten te zien.
Als de zwaartekracht over buigen van ruimtetijd gaat,
kunnen we een soort gedachte-experiment doen.
We kunnen ons voorstellen dat als je genoeg materie
in een zeer kleine ruimte kon brengen,
de ruimtetijd uiteindelijk zo veel zou buigen
dat zelfs licht niet kon ontsnappen aan de klauwen van de zwaartekracht.
Dan heb je een zwart gat gemaakt.
Aan zwarte gaten werd al gedacht rond de tijd van Einstein.
In 1916, net nadat Einstein zijn theorie publiceerde,
is er een prachtige paper geschreven door een jonge wetenschapper,
toen aan het front in de Eerste Wereldoorlog.
Hij heette Karl Schwarzschild.
Het legde de theorie van een zwart gat uit.
Zwarte gaten klinken alsof ze thuishoren in het rijk van de science fiction.
Maar we denken dat zwarte gaten werkelijk bestaan
en dat voor licht het ontsnappen uit een zwart gat
echt een Mission Impossible zou zijn.
We vinden zwarte gaten in de restanten van ontplofte sterren.
We lijken ze zelfs in superzware vorm te vinden
in het hart van vrijwel elk melkwegstelsel in het universum.
Als je een zwart gat zou kunnen verplaatsen
met bijna de snelheid van het licht,
zou dat de ruimtetijd nogal door elkaar schudden.
Zoals het laten vallen van een kanonskogel
op het rubber van een trampoline.
Het zou rimpelingen veroorzaken die zich uitspreiden.
Die rimpelingen noemen we gravitatiegolven.
Gravitatiegolven zouden worden geproduceerd
door zaken als zwarte gaten
of door hun iets minder extreme zwaartekrachtneven,
de neutronensterren.
En als je er twee tegen elkaar kon laten botsen
dicht bij de lichtsnelheid,
zou dat echt wat golven veroorzaken.
Dat is wat we zoeken
op dit nieuwe gebied van gravitatiegolfsterrenkunde.
Was het maar zo eenvoudig.
Dat is het plan, maar het uitvoeren is een harde dobber.
Hoewel de gravitatiegolven
de ruimtetijd kolossaal opschudden waar de zwarte gaten zijn,
en net als rimpelingen in een vijver zich verspreiden door het heelal,
worden ze zwakker en zwakker.
Tegen de tijd dat ze bij de Aarde aankomen,
bedraagt de ruimtetijdvervorming ongeveer
een miljoenste van een miljoenste van een miljoenste van een meter.
Dat is vrij moeilijk om meten.
Hoe doe je dat?
Het doet misschien denken aan een goochelshow in Las Vegas,
maar het gebeurt allemaal met spiegels en lasers.
Je richt een laserstraal op een spiegel,
die ze splitst in twee bundels die loodrecht op elkaar staan,
weerkaatsen op een spiegel, dan recombineren,
en dan moet je kijken wat je kreeg.
Als de twee bundels precies dezelfde afstand hebben afgelegd,
lopen ze precies in de pas met elkaar.
Het zijn lichtgolven, net als al die andere vormen van licht,
zodat de golftreinen samenvallen.
Maar als ze een andere afstand hebben afgelegd,
lopen ze uit de pas met elkaar, en zullen ze met elkaar interfereren -
We noemen dit verschijnsel interferentie,
en daarom worden deze dingen laserinterferometers genoemd.
Een laserinterferometer is een cool hebbeding
als je een gravitatiegolf wil detecteren.
Maar vergeet niet dat het ongelooflijk zwakke signalen zijn,
dus is het een enorme technische uitdaging om er een te bouwen.
Einstein zei dat als een gravitatiegolf passeert,
ze de ruimtetijd in onze omgeving zal uitzetten en krimpen,
maar in ongelooflijk kleine mate.
Daarom proberen we de laserstraal en haar interferentiepatroon te gebruiken
om ons te vertellen wanneer er een gravitatiegolf voorbijkwam.
Maar je moet het experiment echt opschalen en groot maken.
Daarom hebben we LIGO.
LIGO staat voor Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
Het is het meest ambitieuze en verfijnde wetenschappelijke project
ooit ondernomen door de National Science Foundation in de VS.
In feite zijn er twee LIGO's.
Er is er een in Louisiana en nog een in de staat Washington.
Samen met twee andere interferometers,
GEO in Duitsland en Virgo in Italië,
is dit ons detectiesysteem voor gravitatiegolven.
Ze liggen op nogal afgelegen locaties,
en ik denk dat de lokale bevolking niet echt weet waar ze voor dienen.
Een van mijn collega’s bij LIGO vloog eens over de Livingstonsite.
Een medepassagier keek naar beneden naar de detector en zei:
“Ik heb een theorie wat dat is.
Het is eigenlijk een geheime tijdmachine van de regering.”
Hij wist niet goed hoe te reageren
en zei: “Oké dan, maar waarom de L-vorm?”
En ze zei: “Ah ja, ze moeten toch ook weer terugkomen.”
(Gelach)
Tijdreizen is echt science fiction,
maar we hopen van harte dat gravitatiegolven
binnenkort een wetenschappelijk feit zullen zijn.
Het is nog moeilijk.
Al die zeer kleine effecten
kunnen worden overspoeld door de lokale gevolgen
van de verstoringen door het schudden van de grond.
Niet door wat er in het universum gebeurt,
maar vanwege veel alledaagsere fenomenen hier op Aarde.
Dus monteer je je spiegels
op zeer complexe ophangsystemen
die tegen de grenzen zitten van de materiaaltechnologie.
Zelfs schudden van de lucht in de laserstraal
kan ons signaal overstemmen,
dus sturen we de lasers heen en weer
in het ultrahoogste vacuümsysteem op Aarde,
slechts één biljoenste van de druk van de lucht die we hier inademen.
Breng dat bij elkaar en geef een paar honderd miljoen dollar uit,
en hoop dat je wat gravitatiegolven gaat vinden,
maar er zijn veel wetenschappers nodig om het te doen.
In Glasgow maken we deel uit van de LIGO wetenschappelijke samenwerking.
Meer dan 900 wetenschappers en ingenieurs over de hele wereld
zoeken naar gravitatiegolven.
We hebben ze nog niet gevonden, [inmiddels wel! - vert.]
maar meerdere detectoren zijn noodzakelijk
omdat je een signaal moet detecteren in beide LIGO detectoren,
om je te overtuigen dat je echt iets hebt.
En als je het ook in Virgo en GEO ziet, des te beter.
Binnenkort hebben we een wereldwijd netwerk van geavanceerde detectoren
omdat de LIGO’s niet gevoelig genoeg zijn om de klus te klaren.
Maar ze krijgen zwaardere spiegels,
krachtiger lasers, betere veersystemen,
en we verwachten dat we in 2016
een netwerk gaan hebben van geavanceerde zwaartekrachtgolfinterferometers
om te zoeken naar gravitatiegolven.
Hoe lang zullen we moeten wachten om een signaal te krijgen?
We weten het niet echt, maar op basis van wat wij weten,
denken we niet dat het meer zal zijn dan een paar maanden.
Op een conferentie van vorig jaar
probeerde een groep van ons in Polen een datum op te geven
voor wanneer we ze verwachten te zien.
Met gekruiste vingers
voorspelden we de datum van 1 januari 2017.
Ik wees erop dat er waarschijnlijk niet erg veel mensen
die dag in Glasgow aan het werk zouden zijn.
(Gelach)
Maar gravitatiegolven komen.
Er gaat een nieuw venster op het heelal open
en het is een zeer spannende tijd om astrofysicus te zijn.
Veel dank.
(Applaus)
[Op 11 januari 2016: eerste melding van een gravitatiegolf - vert. ]