EINSTEIN
DE SITTER
Historisch-wetenschappelijk
belangrijke correspondentie
ontdekt in Leidse Sterrewacht
Zien tot
8 miljard
lichtjaar
- -cv*-'
u J;: v
1
■AA
•fafR
- K
ZATERDAG 12 JULI 197!
In nauwe samenwerking tussen Leidse universiteit en het tijdschrift Natuur en Techniek is on
langs een bijzonder boeiend boekje tot stand gekomen onder de titel "400 jaar Leidse universi
teit". Een van de artikelen in deze uitgave is gewijd aan een bij toeval tijdens de recente ver
huizing van de Leidse Sterrewacht aan het licht gekomen serie brieven en briefkaarten van de
grote natuurkundige Einstein (die ook in Leiden hoogleraar is geweest) en de Leidse astronoom
prof. dr. De Sitter over vraagstukken betreffende ontstaan, ontwikkeling en structuur van het
heelal Helaas ontbreekt ons de ruimte om van deze wetenschappelijk-historische documenten,
waarvan Natuur en Techniek er vele reproduceerde, meer dan één exemplaar af te beelden.
Ook is het niet doenlijk, voor de leek-krantenlezer de betekenis van deze correspondentie en de
behandelde problemen in finesse uiteen te zetten.
Natuur en Techniek publiceerde zeven van de achttien gevonden brieven van Einstein, waar
van! er vele door De Sitter van kanttekeningen waren voorzien, met een verklarend artikel van
de hand van de Leidse gasthoogleraar prof. Kahn en diens echtgenote uit Princeton (VS).
Voorts laat het tijdschrift deze waardevolle correspondentie uit de jaren 1916 tot 1918 vergezeld
gaan van een artikel van de hand van prof. dr. J. H. Oort, oud-directeur van de Leidse Sterre
wacht, over de huidige inzichten met betrekking tot de materie, waarover Einstein en De Sitter
hun denkbeelden uitwisselden. Dat laatstgenoemde artikel nemen wij hierbij in grote lijn over,
want hoewel het op zichzelf geen "nieuws" bevat is het een voortreffelijk overzicht, dat ook
voor de leek vrijwel geheel begrijpelijk is.
Wetenschap en
technologie
door P. Bok
Vijf groten uit de natuurkun
de en astronomie in de eerste de\
cennia van deze eeuw op 26 sep
tember 1923 bijeen in Leidenl
Staande van links naar rechtsl
Einstein, Ehrenfest, De Sitter, eA
zittend Eddington en Lorentz.
Einstein, de opsteller van de re\
lativiteitstheoriewerd in 192a
gasthoogleraar in Leiden, emi\
greerde in 1933 naar Amerika en
werd in 1929 onderscheiden met
de Nobelprijs voor fysica.
Ehrenfest, natuurkundige van
Oostenrijkse afkomst, ioas hoog-,
leraar in Leiden als opvolger van
Lorentz. De Sitter werd in 190&
hoogleraar in de astronomie in|
Leiden en correspondeerde inten
sief met Einstein over heelalmo-
dellen, waardoor hij de basis leg
de voor de theorieën omtrent het
uitdijende heelal. Eddington, een.
Engelse natuur- en sterrenkundige
ivas hoogleraar in Cambridge en\
directeur van de sterrenwacht al-\
daar sinds 1914. Lorentz tenslotte
was natuurkundige en hoogleraar
in Leiden sinds 1877. In 1903 ont-\
ving hij samen met Zeeman de
Nobelprijs voor natuurkunde voor\
de ontdekking van het Zeeman-l
effect.
Het enorm boeiende tijdperk waar
over de ontdekte correspondentie
van Einstein zulke interessante her
inneringen ophaalt, zo schrijft prof.
Oort, namelijk de ontdekking van
„het heelal", toen als uitvloeisel van
Einsteins geniale inzicht in het we
zen van de gravitatiekracht voor het
eerst vruchtbaar gedacht werd over
de vraag naar de eindigheid of on
eindigheid van de ons omringende
wereld, en over de even essentiële
vraag waarom deze wereld niet door
de onderlinge aantrekking van zijn
delen in elkaar stort, eindigde met
een onverwacht ontknoping. Het
heelal stort niet in elkaar omdat het
explandeert.
De zin van deze wat kryptisch ge-
fomuleerde oplossing wordt pas be
grijpelijk als men er de hypothese
aan toevoegt dat het heelal ontstaan
is door een allesomvattende explosie
die „aan het begin van de tijd"
plaats gevonden heeft De totale we
reld, inclusief de ruimte waar zfj in
gebed was, is toen uit elkaar gespat.
De snelheid waarmee de delen uit
elkaar bewogen was zó groot dat
hun onderlinge aantrekkingskracht
daar niet tegen opgewassen was zodat
ze tot op de huidige dag uit elkaar
bleven bewegen. We wonen dus niet
in een statisch, in evenwicht verke
rend heelal, maar in een wereld die
aldoor groeit.
Het leek een fantastische concep
tie. Maar het meest wonderbaarlijke
was misschien dat in dezelfde jaren,
dat Einstein en De Sitter hierover
speculeerden, spectra van een paar
spiraalnevels aantoonden dat deze
zich werkelijk met aanzienlijke snel
heden van ons weg bleken te bewe
gen. Weinige jaren later slaagde Ed
win Hubble er in om aan te tonen
dat deze snelheden evenredig toene
men met de afstand van de betrok
ken sterrenstelsels, en dat we ons
dus inderdaad in een expansiesnel-
wereld bevinden. Uit de expansiesnel
heid en de in die tyd nog maar heel
ruw bekende afstanden kon toen ook
het „begin van de tijd" berekend wor
den. Volgens de thans beschikbare be
tere gegevens ligt dit ruwweg tien-
miljard jaar in het verleden.
Na deze wonderlijke eerste ontwik
keling stuitte de verdere exploratie
van het heelal op onoverkomenlijke
moeilijkheden. Wel worden vorderin
gen gemaakt in het beter verifiëren
van Hubble's wet, maar deze leidden
voorlopig niet tot antwoorden op de
essentiële vragen: is de wereld on
eindig groot en „open", of is zij ein
dig? Een wat is in het laatste ge
val de „straal" van het heelal? Wan
neer en hoe zijn in de evolutiege
schiedenis van het heelal de melk
wegstelsel ontstaan? en wat gebeur
de er in het allervroegste begin?
De eerste grote doorbraak kwam
pas een halve eeuw later. Door de
ontwikkeling van de kernfysica werd
het mogelijk een vrij gedetailleerd
beeld te krijgen van hetgeen er bij
de begin-explosie zelf, of althans ge
durende de eerste minuten na de „big
bang" gebeurd moet zijn in de evo
lutie van straling en materie.
Voor het doordringen in de verdere
evolutie en in de problemen van
structuur en eindigheid of onein
digheid van het heelal werd de ra-
dio-astronomie de doorslaggevende
factor. De grote rol die voor haar
was weggelegd werd al direct duide
lijk toen de op één na helderste ra
diobron aan de hemel Cygnus A
door Baade op de Mount Palomar
Sterrewacht optisch geïdentifi
ceerd werd als een zwak neveltje.Dit
„neveltje" bleek een op grote afstand
staand sterrenstelsel zijn, dat zich
ten gevolge van de expansie van het
heelal met 'n snelheid van 16.000 km
per seconde van ons af beweegt.
Alleen al deze ene waarneming
maakte duidelijk welk een machtig
middel de radio-astronomie zou kun
nen worden om in essentiële proble
men van het heelal door te dringen.
De genoemde snelheid is ruim een
twintigste van die van het licht. Zelfs
een slechte ma t ge grote radiotele
scoop kan gemakkelijk radiobronnen
waarnemen, die duizendmaal zwak
ker zijn dan Cygnus-A, Indien de
opgevangen straling evenredig met
het kwadraat van de afstand af
neemt, zoals we dat in de om
ringende (nabijere) wereld waarne
men, zouden we stelsel die even sterk
stralen als cygnus-A moeten kunnen
zien op ongeveer duizend maal groter
afstand. In het expanderende heel
al, waarin de snelheid evenredig toe
neemt met de afstand, zouden we
voor zó ver weggelegen radiobron
nen uitkomen op een snelheid die
anderhalf maal groter dan de licht
snelheid is.
Daar snelheden groter dan
de lichtsnelheid onbestaanbaar zijn
(ook een uitvloeisel van de relativi
teitstheorie van Einstein. Red. LD)
moeten we concluderen dat onze pre
missen niet langer geldig zijn bij zo
grote afstanden. We komen klaarblij
kelijk in een gebied waar de licht
intensiteit niet meer omgekeerd even
redig met de afstand afneemt of de
expansiesnelheid niet meer evenredig
met de afstand toeneemt. Dit moet
een gebied zijn waar de grote-schaal
structuur van het heelal én zijn evo
lutie een belangrijke rol beginnen te
spelen. Dat dit inderdaad zo is, werd
al spoedig op treffende manier door
de waarnemingen bij radiogolflengten
bevestigd.
De grote pioniers waren sir Martin
Ryle en zijn medewerkers in Cam
bridge, die in de jaren rond 1960 aan
toonden, dat de bevolkingsdichtheid
van radiostelsels in de ruimte bij het
doordringen naar zwakkere objecten
toenam in plaats van afnam zoals
in een stationair, homogeen heelal
te verwachten was. Dit was een ont
dekking van historische betekenis. De
structuur van het heelal kan niet
los gezien worden van zijn geschie
denis. Bij de waarneming van deze ve
re sterrenstelsels, wier straling enke
le miljarden jaren geleden uitgezon
den werd, zien we niet alleen over
grote afstanden, maar kijken we te
vens terug in het verre verleden. Dit
verleent een extra betovering aan dit
onderzoek .Ryle's waarnemingen lie
ten voor het eerst iets zien uit een
tijdperk toen het heelal anders was
dan nu. De onverwacht sterke toena
me in het aantal zwakke radiobron
nen toont dat de bevolkingsdichtheid
der radiobronnen in deze vroegere
fase van het heelal veel hoger was
dan thans Misschien is dit een af
spiegeling van een groter geboorte-
tal van sterrenstelsels in dae ty d.
Behalve zijn grote radio-helder
heid heeft Cygnus-A nog een inte
réssante karakterstiek, namelijk zijn
„dubbelheid". Het grootstel deel van
zijn radiostraling komt uit twee on
geveer 650.000 lichtjaren van elkaar
liggende componenten. Deze emit
teren slechts radiostraling. Er komen
geen sterren in voor, of althans niet
genoeg om zichtbaar te zijn. Het is
gebleken dat zo'n dubbelstructuur
heel algemeen voorkomt en een ui
terst belangrijk hulpmiddel bij de op
meting van het heelal kan vormen.
Huidige radiotelescopen kunnen ge
makkelijk doordringen tot objecten
die veel zwakker zijn dan éénduizend-
ste van Cygnus-A. Op de radioster
renwacht in Westerbork in Drenthesche straling uitzenden. Sommige
worden thans bronnen waargenomen diobronnen leken in positie san
die bijna tienmiljoen maal zwakker vallen met stervormige objecten
zijn. Door zijn combinatie van grote
gevoeligheid met groot oplossend ver
mogens is de „Synthese Radioteles
coop" in Westerbork beter dan enig
met steiTenselsels. De
spectra van deze „sterren" vertoon
den helderé emissielijnen, die echter
aanvankelijk niet geïdentificeerd
ander bestaand instrument in staat konden worden met emissielijnen
bronnen bekende gassen. Het was een vroegere
zowel
op te sporen, alsook
zoeken op dupliciteit en diameter,
hun radiospectra en polarisatie te
meten; eigenschappen die naar men
hoopt uiteindelijk een belangrijke bij
te onder- Leidse student, Maarten Schmidt,
die er in 1963 in slaagde het mysterie
van de niet-te-identificeren lijnen op
te lossen. Hij ontdekte dat deze qua-
met zo enorme snelheden weg
drage kunnen geven tot de bepaling bewogen, dat de „normale" spectra-
de struc- lijnen door het Doppler-affect ge
heel uit het zichtbare deel van het
spectrum verdwenen waren en de lij
nen, die men wél zag, door de grote
„roodverschuiving" in werkelijkheid
ultraviolet thuis hoor-
lichtkrachten
zijn de quasars nu misschien wel de
belangrijkste bakens geworden bij het
onderzoek van structuur en historie
van het heelal.
Een aanzienlijk deel van de waar
nemingen die door Leidse astrono
men in Westerbork gedaan worden,
een "hat?
het „Einstein-De Sitter
Leiden weer een voorpost
ontdekking van het heelal
worden.
De radio-astronomie leidde ook tot
nieuwe perspectieven in de optische
sterrenkunde. Reeds vanaf het begin
van de radiowaarnemingen hadden
observaties met de klassieke telesco
pen een essentiële rol gespeeld, door
dat de afstanden van de radiobron
nen slechts langs optische weg ge
meten konden worden. Een grote
moeilijkheid was echter dat zeer vele
radiobronnen zó weinig stralen in het
gebied van de optische golflengten,
dat ze zelfs met de grootste bestaande
telescopen niet waarneembaar zyn.
Er
echter één soort, de „qua-
i" of „quasi-sfehaire radiobron-
die uitzonderlijk sterke opti-
Voor de exploratie van het heelal,
aldus besluit; prof. Öort moeten ra
dio-astronomie en klassiek optische
sterrenkunde hand in hand gaan. Het
ziet er thans naar uit, dat door een
intensieve samenwerking tussen
waarnemers met de grootste radiote
lescopen en de grootste optiche te
lescopen de nabije toekomst grote
vooruitgang in onze kennis van es
sentiële eigenschappen van het heel
al zal brengen. Het is te hopen, dat
Leidse onderzoekingen met de Syn
these Radiotelescoop in Westerbork
daar een belangrijke bijdrage aan zul
len leveren.
Amerikaanse astronomen heb
ben met behulp van de telescoop
van het Lick-observatorium fo
to's gemaakt van een sterren
stelsel, dat zich op ongeveer
acht miljard lichtjaar afstand
va.n de aarde bevindt. Het stel
sel schijnt vijf tot zes maal zo
groot te zijn als het Melkweg
stelsel, waartoe ons zonnestelsel
behoort. Het is het verst-ver-
wijderde hemelobject, dat ooit
optisch is waargenomen.
Door middel van zeer lange
belichtingstijden werden de bij
zonder zwakke lichtstralen op de
fotografische plaat vastgelegd.
Met inschakeling van een com
puter, die dank zij een ingenieus
programma alle andere licht
bronnen dan het betrokken stel
sel „uitveegde" bleef een beeld
van het onvoorstelbaar verre ób
ject over. Pas wanneer de op
aarde ontvangen lichtstraling
van het stelsel veel meer dan
een miljoen maal sterker zou
zijn, zou het object met het
blote oog waarneembaar zijn.
Deze fotografische prestatie
heeft de optische waaruemings-
grens met ongeveer driemiljard
lichtjaren verder weggeschoven
Eén lichtjaar betekent een af
stand van 10.000.000.000 000 kilo
meter, de afstand die het licht
met een snelheid van 300 kn
per seconde in een jaar aflegt.
Einstein en De Sitter waren
het lang niet altijd eens over
de heelal-modellen op grond van
de relativiteitstheorie en de re
kenkundige analyse van obser
vaties. Maar De Sitter maakte
b.T. in deze brief van Einstein
(van 24 maart 1917) aanmer
king op enkele elementaire re
kenfouten, waarop hij overigens
geattendeerd was door zijn as-
si tent Kluyver. Aantekeningen
van de hand van De Sitter in
en onder de tekst van Einstein
laten over die kritische beoor
deling van de mening van de
grote geleerde geen twijfel be
staan. Dit is een van de unieke
documenten, die bij de verhui
zing van de Leidse Sterrewacht
aan het licht zijn gekomen.
2*. M'. 12.
SU N
AjfyA>Jr Z.
IJL-
«HU fa «.»-*-
X)
J j fai-'fa i
i"-rf/M fa fa dArQïz** iidétsjtdt
1~r
--.-f xr S ƒ- ALui n'
It*, rSÏU-JrtfxZ&r-
''y y .Jy -
4",' - 4to A- 'j'
fat
AfcAfat. <fa n/l6t
J--t fa' t
J. Set A t.'J 4 fa',
.s.-t, f 4. pf 'f. M/M-
t I', fa A **>-*
4 7'-
M' ft- jsr, uda - f /XkA,
JU,-.-, f J-u.-'r
A .v
flu Jyil
;i <r'Ri
jnt A. 4" fa' fa
*,v:fC fad A,
;C y-baU*
■PA
