Zwarte gaten en wormgaten in Interstellar

Fysicus Kip Thorne bouwde voor de nieuwe ruimtereisfilm Interstellar een zwart gat in de computer. Wat hij daarin ontdekte, had niemand van te voren verwacht.

Matthew Mconaughey in Christopher Nolan's Interstellar
Matthew Mconaughey in Christopher Nolan’s Interstellar

Stel dat we in de toekomst de grondstoffen op Aarde zo uitputten dat we niet anders kunnen dan ons heil tussen de sterren zoeken? Die vraag stelt de nieuwe sciencefictionfilm Interstellar van succesregisseur Christopher Nolan, die vanaf morgen (donderdag 6 november) in Nederland in de bioscoop te zien is. Voor Scinetific sprak ik met het wetenschappelijk meesterbrein achter de film: de theoretisch-fysicus Kip Thorne.

Liefhebbers van wetenschap, sciencefiction en goede films (waaronder ikzelf) kijken al sinds vorig jaar reikhalzend uit naar Interstellar. Het is de ultieme menging van twee van mijn favoriete werelden. Aan de ene kant gaat Interstellar over speculatieve natuurkunde en toffe, extreme onderwerpen als zwarte gaten, wormgaten en tijddilatatie (het effect waarbij de tijd gekke dingen gaat doen wanneer je heel snel beweegt). Aan de andere kant is Interstellar een aanstaande, kwalitatief hoogstaande blockbuster uit Hollywood. Deze nieuwe film van sterregisseur Christopher Nolan, die de laatste jaren goede sier maakte met intelligente genrefilms als Inception en de Dark Knight-trilogie, wordt internationaal al goed ontvangen.


De trailer van Interstellar

The Final Frontier

Kip Thorne
Kip Thorne

Centraal in de film staat de ultieme final frontier, zoals Star Trek dat zo mooi zegt: de diepe ruimte voorbij de grenzen van ons zonnestelsel. Het is een gebied waar wij tot nu toe alleen nog met de Voyager-sonde een voorzichtige eerste stap hebben gezet, en die werd al in de jaren zeventig gelanceerd. De ruimte is namelijk groot, heel erg groot. Stel bijvoorbeeld dat je naar Alpha Centauri wil vliegen, de dichtstbijzijnde ster met een afstand van 4,3 lichtjaar tot de zon. Dan moet je flink wat kilometers vreten. ‘Als je die reis vergelijkt met een vlucht van New York naar Perth in Australië, dat de andere kant van de aarde ligt, dan staat onze reis naar de maan gelijk aan een afstand van 7 centimeter’, zegt Kip Thorne, de theoretisch-fysicus wiens ideeën ten grondslag liggen aan Interstellar. Met andere woorden: wat we tot nu toe met onze bemande ruimtevaart hebben gepresteerd, stelt niet zo vreselijk veel voor.

Daarom moet een film waarin personages reizen naar de sterren, speculatieve kunstgrepen doen om toch de kosmische diepten te bereiken. ‘Je komt dan al snel uit bij wormgaten’, zegt Thorne. Wormgaten zijn tunnels door het spul waarvan de werkelijkheid is gemaakt. Het zorgt ervoor dat je sluiproutes door de kosmos kunt nemen, zodat je gigantische afstanden in korte tijd kunt afleggen zonder de belangrijkste regel van Einstein te breken: niets kan sneller bewegen dan het licht.

Speculaties

Er is alleen één probleem met wormgaten. Tot nog toe weet niemand zeker dat ze bestaan. ‘Er is voldoende bewijs dat wel in die richting wijst, maar niemand weet het zeker’, zegt Thorne. Een groter probleem is dat wanneer wormgaten inderdaad bestaan, het onwaarschijnlijk is dat ze open blijven staan, of groot genoeg zijn, om doorheen te kunnen vliegen. Wel bestaan ideeën over hoe dat tóch zou kunnen, en die heeft Thorne nu verwerkt in de wetenschappelijke basis waarop Interstellar rust. ‘Maar’, stelt hij, ‘dat zijn speculaties voorbij de grenzen van de gevestigde wetenschap.’

Het ruimteschip uit Christopher Nolan's Interstellar
Het ruimteschip uit Christopher Nolan’s Interstellar

Er was Thorne veel aan gelegen om Interstellar zo wetenschappelijk nauwkeurig mogelijk te maken. Al sinds hij Contact zag, een sciencefictionfilm gebaseerd op een boek van zijn inmiddels overleden collega-astronoom en vriend Carl Sagan, wilde Thorne ook zelf graag een film maken die wetenschappelijk helemaal in orde is. ‘Zover ik weet is deze film de eerste keer sinds Contact dat een wetenschapper vanaf het begin verbonden is aan een film’, zegt Thorne. Hij had Sagan destijds overigens aangespoord om ook in het boek Contact een wormgat te gebruiken als methode voor interstellaire reizen.

Thorne had al voordat hij in contact kwam met regisseur Christopher Nolan en diens broer (en scriptschrijver) Jonathan, een idee voor een film over interstellair reizen door wormgaten. Dat idee ontwikkelde hij samen met filmproducer Lynda Obst, die hij kent sinds Carl Sagan hen elkaar jaren eerder aan elkaar had voorgesteld. ‘Toen Jonathan Nolan erbij kwam, herschreef hij het script’, zegt Thorne over de eerste Nolan die zich aan het project verbond. ‘Toen Christopher erbij kwam, herschreef hij het script weer en inmiddels lijkt het verhaal van de film totaal niet meer op wat Linda en ik ooit bedachten. Maar de wetenschap en onze visie, dat is bewaard gebleven. Ik had regelmatig brainstormsessies met Christopher en Nolan en ook zij waakten ervoor dat de wetenschap in deze film goed klopt.’

800 Terabyte

Een van de resultaten van dat nauwe overleg is iets dat vermoedelijk de meest wetenschappelijk correcte special effect ooit is: een uitgebreide simulatie van een gigantisch zwart gat. ‘Dat zwarte gaten bestaan is een feit’, zegt Thorne, die de natuurkundige formules bij elkaar zocht die het gedrag van zo’n zwart gat beschreven. Die formules leverde hij aan special effects makers Double Negative. Daar bouwden programmeurs een extreem-hoge-resolutie-versie van een zwart gat, dat uiteindelijk ongeveer 800 terabyte aan data besloeg. Sommige individuele frames kosten bijna honderd uur om in de computer te renderen, in zoveel detail moest het zwarte gat worden getekend.

Het resultaat was gelukkig uiteindelijk mooi. ‘Onze simulatie heeft een prachtige accretieschijf om het zwarte gat’, zegt Thorne. Een accretieschijf is de schijf van stof en gas die zich dankzij de zwaartekracht om een hemellichaam zoals een zwart gat kan bevinden. ‘Bovendien zijn er mooie effecten van zwaartekrachtslensing zichtbaar’, zegt hij, waarmee hij doelt op het bizarre gevolg dat hele zware voorwerpen licht kunnen afbuigen en zo als een soort lens kunnen werken.

Roodverschuiving

Thorne kreeg het niet voor elkaar de simulatie honderd procent natuurgetrouw te maken. Wat hij niet opnam was de roodverschuiving – het effect dat een bewegend voorwerp van kleur verandert, op dezelfde manier waarop het geluid van de sirene van een langsrazende ambulance van toon verandert. ‘De ene kant van de simulatie had eigenlijk meer rood moeten zijn, en de andere meer blauw’, zegt Thorne, en bovendien had er ook nog eens een verschil in helderheid moeten zijn. ‘Met pijn in ons hart, kozen we ervoor dat niet in de film te stoppen, omdat een massapubliek dat gegarandeerd niet had begrepen.’

In tegenstelling tot een gewone astrofysische simulatie, bevat het in de film getoonde zwarte gat nog iets anders: lensflares. Op verzoek van Nolan zorgde het special effects team er met de hulp van Thorne voor dat de kijker het zwarte gat zou zien zoals deze eruit zou zien als je hem zou filmen door een echte camera. ‘Daarvoor moesten we rekening houden met verstrooiing en afbuiging van licht in de camera’, zegt Thorne. Het resultaat was een schittering dat een gedeelte van het zwarte gat aan het zicht onttrekt. ‘Ik vond dat jammer omdat dat een deel van de achterliggende wetenschap verbergt, maar Nolan vond het prachtig omdat dit echt is wat je door een camera zou zien’, zegt Thorne.


Minidocu: zo bouw je een zwart gat

Lichtpatroon

De simulatie was bovendien zo nauwkeurig dat Thorne op iets onverwachts stuitte. ‘We ontdekten een vreemd, prachtig, complex lichtpatroon in onze simulatie’, zegt hij. ‘Daarin zien we verschillende keren patronen van de achterliggende sterren en de achterliggende hemel.’ Maandenlang dachten Thorne en de special effects bouwers dat er een fout in hun software zat. ‘Maar we bleven er maar op uit komen, we konden dit effect niet weg krijgen’, zegt Thorne. Op een gegeven moment realiseerde hij zich dat het een gevolg was van de speciale relativiteitstheorie die zorgde voor vreemde tijdseffecten rond het zwarte gat. Maar, voegt hij eraan toe: dat is nog maar een vermoeden. ‘Dit is een mysterie dat nog opgelost moet worden.’

Het zwarte gat in Interstellar komt uit de vergelijkingen van theoretisch-fysicus Kip Thorne
Het zwarte gat in Interstellar komt uit de vergelijkingen van theoretisch-fysicus Kip Thorne

Thorne verwacht daar echter wel een wetenschappelijke publicatie aan te kunnen wijden. Samen met een andere publicatie over hoe de simulatie wiskundig in elkaar steekt, kan Thorne dankzij zijn werk aan interestellar tweemaal een artikel indienen bij een vakblad – een overwachte bonus bij een project voor een Hollywoodproductie.

Overigens zijn de zwarte gaten in de film niet hetzelfde als wormgaten, hoewel mensen de twee nog weleens willen verwarren. Wormgaten zijn speculatief, en zwarte gaten bestaan echt – maar dat is niet het enige verschil. ‘Het zijn eigenlijk totaal verschillende objecten’, zegt Thorne, hoewel ze wel allebei voortkomen uit eenzelfde soort oplossing van de achterliggende wiskunde van de algemene relativiteitstheorie. ‘Maar als wormgaten open moeten blijven en dingen erin en eruit kunnen vliegen, zijn ze echt iets anders. Ze hebben dan geen waarnemingshorizon, zoals een zwart gat dat wel heeft, en ook geen singulariteit in hun binnenste.’

Of we binnenkort echt naar de sterren kunnen vliegen, weet nog niemand. Wel kunnen we binnenkort met een bak popcorn op schoot genieten van wat nu al de meest wetenschappelijk verantwoorde film van dit jaar belooft te worden.

Lees verder:

Over de auteur

George van Hal

George van Hal is wetenschapsjournalist en coördinerend redacteur bij New Scientist. George studeerde sterrenkunde, is zelfverklaard sciencefiction- en filmfanaat, en schreef daarover het boek Robots, aliens en popcorn. George zit op Google+ en Twitter. Meer informatie over George en zijn artikelen is te vinden op zijn website.



4 Reacties

  • Jan Hemmer

    | Beantwoorden

    Het zal met wormgaten waarschijnlijk hetzelfde gaan als met zwarte gaten – als er lang genoeg over gepraat wordt gaat de hypothese geruisloos over in een algemeen aanvaard begrip…
    Om de heftige verschijnselen in melwegkernen te verklaren werd in de jaren 60 het zwarte gat bedacht door John Wheeler als hypothese, als losse flodder eigenlijk.
    Vijftig jaar later worden de heftige verschijnselen aangedragen als bewijs voor de juistheid van de hypothese zonder dat er bewijsmateriaal is bijgekomen of meer experimenteel bewijs dat materie zich inderdaad zo gedraagt in dergelijke extreme omstandigheden.
    Zo lust ik er nog wel een paar..

  • Jouwert Hoekstra

    | Beantwoorden

    Ik ben het deels wel eens met Jan maar is een hypothese niet het ultieme middel om
    wetenschappelijk te komen waar wij nu zijn. Zonder hypothese geen experiment. Gedachten (hypothese) kunnen aanstoot geven tot enorme vooruitgang op allerlei gebied. Het heeft wel tijd nodig, het wiel is ook niet in vijftig jaar uitgevonden, hier zijn heel wat experimenten en denkwerk aan vooraf gegaan.

    • Jan Hemmer

      | Beantwoorden

      Jouwert,

      Ik bedoel het soort hypothese van: ” wind wordt veroorzaakt door heen en weer zwaaiende bomen”.
      Je kunt je dan afvragen of dat inderdaad zo is en gaan experimenteren – net wat je zegt.
      Maar om nou 20 jaar later niets meer te hebben dan: ” Natuurlijk is dat zo, want je ziet de bomen toch heen en weer gaan als het waait?”
      Het is vanzelf jammer dat we bij dit probleem alleen maar kunnen extrapoleren vanuit het standaardmodel wanneer het gaat om het gedrag van materie in extreme omstandigheden van druk en temperatuur. En met alleen wiskunde kunnen we alle kanten op.
      Ik geef je evenwel op een briefje, dat wanneer we ooit in staat mochten zijn om die omstandigheden in een aards experiment na te bootsen, materie zich volledig anders zal blijken te gedragen dan we verwachtten. Die les hebben we toch wel uit het verleden geleerd dacht ik.

  • Dan Visser

    | Beantwoorden

    Hierbij mijn kritische commentaar op het bestaan van zwarte gaten. Er zijn al meerdere bewijzen voor het niet bestaan van de gebeurtenis horizon van een zwart gat. Computer-simulaties van supernovae, die hand in hand gaan met berekeningen bij het instorten tot een zwart gat, verhinderen de vorming van de gebeurtenis horizon. Ook Stephen Hawking heeft als gevolg van de discussie daarover, inclusief het wel of niet ontstaan van een ‘firewall’ op de gebeurtenis horizon, moeten toegegeven dat een gebeurtenis horizon een schijnbaar gegeven is. Aanvullend bewijs toont aan dat een gebeurtenis horizon zich altijd vooruit aan het bereiken van de maximale massadichtheid naar binnen verplaatst bij toenemende massadichtheid en het kleiner worden van het volume. Zodra een Planck gat wordt gevormd ligt ook daarbij de gebeurtenis horizon binnen de con-formele grenzen van de Standaard Kosmologie. Het niet bestaan van een gebeurtenis horizon sluit overigens ook aan op de inmiddels opgeloste informatie paradox met behulp van de Quantum Theorie. Die geeft aan dat informatie niet verloren kan gaan achter een gebeurtenis horizon. Met andere woorden: Mijn twijfel aan de opvatting van Kip Thorn over het bestaan van zwarte gaten is niet gering. Het is goed om daarbij te beseffen dat hij een aanhanger van de Big Bang Theorie is. Die komt voort uit de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein, en juist daarin zijn zwarte gaten de limiet van die theorie. Dit oude concept van zwarte gaten laat zich daarom zo langzamerhand inhalen door nieuwe voorstellen voor een andere vorm en dynamiek van het heelal: Een heelal waarin de gebeurtenis horizon een nieuwe betekenis heeft in het heden.

Plaats een reactie