Einstein Telescope is verbindend voorbeeld op docentendag

Hoe inspireer je middelbare schooldocenten om hypermoderne natuurkunde de klas in te brengen? Tijdens de natuurkundedocentendag van de Technische Universiteit Eindhoven laat onderzoeker Gideon Koekoek zien hoe uiteenlopende gebieden van de natuurkunde samenkomen in de theorie achter de Einstein Telescope.

“Welkom bij een middag over natuurkunde op het scherpst van de snede.” Aan het woord is Gerrit Kroesen, hoogleraar natuurkunde aan de Technische Universiteit Eindhoven (NL). Daar trekt hij de kar van een uitgebreid programma om de aansluiting tussen middelbare scholen en vervolgonderwijs te verbeteren. Op 26 maart betekent dat een speciale middag voor 50 middelbare schooldocenten natuurkunde. Die doen inspiratie op tijdens workshops, laboratoriumbezoek en lezingen over het spannendste moderne onderzoek.

Licht

Het thema van de docentendag is licht, van rekenen met lichtdeeltjes tot minieme transistoren voor de snelste computerchips etsen met licht, of foto’s maken van vlakbij een zwart gat. In zijn keynote lezing vertelt zwaartekrachtsgolfonderzoeker Gideon Koekoek (Universiteit Maastricht en Nikhef) hoe diep licht verwoven is met andere onderdelen van de natuurkunde. De aanleiding: een kritische leerling die zich niet met een kluitje het riet in liet sturen.

“Onze lesmethodes presenteren natuurkunde als vrij op zichzelf staande deelgebieden, elk voor hun eigen onderwerp. Ik wilde juist de diepe verbanden laten zien, waardoor al die regels een samenhangend geheel vormen. Dat is de echte kracht van de natuurkunde.”

Kritische leerling

Ook op de middelbare school komt Einstein’s relativiteitstheorie langs. Een theorie vol hersenkrakers, zoals klokken die vertragen en linealen die krimpen als ze langskomen met een snelheid in de buurt van die van het licht: 299.792.458 meter per seconde.

De uitgebreide versie van de relativiteitstheorie stelt dat ook zwaartekracht niets anders is dan een vervorming van de ruimtetijd. Met genoeg geweld zoals van botsende zwarte gaten ontstaan er zelfs golven in die ruimtetijd. Precies het verschijnsel dat Koekoek wil onderzoeken met de Einstein Telescope en waarover hij vertelt in het Einstein Telescope Education Centre ETEC in Kerkrade. Maar hoe leg je de relativiteitstheorie uit aan middelbare scholieren?

“Ik heb zelf een paar jaar voor de klas gestaan”, vertelt Koekoek zijn vakgenoten. “Maar toen ik mijn klas de standaardintroductie van de relativiteitsleer gaf, gaf een leerling tegengas. ‘Waarom heeft de snelheid van het licht zo’n centrale rol in de relativiteitstheorie? En waarom gelden de formules ook voor verschijnselen waar geen licht bij te pas komt?’ Die leerling had gewoon gelijk, je bewijs moet stevig staan. Ik ben dus aan de slag gegaan om die link duidelijk te maken. Doet u mee?”

Wat volgt is een razendsnel college. Met requisieten zoals ballonnen en knuffeldieren bewijst Koekoek dat de relativiteitstheorie niet uit de lucht komt vallen, maar al verstopt zit in de bewegingsleer van Newton. Ook de centrale rol van de lichtsnelheid, die Einstein nog als handmatige aanname in zijn theorie stopte, blijkt met wat rekenwerk af te leiden uit andere natuurwetten: “Je ziet dat het heelal wel een maximumsnelheid móet hebben. En dat kun je bewijzen met middelbare schoolwiskunde! Ik deel mijn uitwerking zodat je dat zelf kunt doen met je leerlingen.”

Eén voorbeeld

Te pittig voor in de klas? De deelnemers aan de docentendag lijken juist geinspireerd. Aan de lezingen en laboratoriumbezoeken houden ze voorbeelden over die ze in de klas kunnen gebruiken om uit te leggen wat je later allemaal kunt met natuurkunde. Ook dagvoorzitter Gerrit Kroesen is tevreden. “Dit verhaal was uitdagend, maar het liet ook prachtig de samenhang van de natuurkunde zien. Dat is wat je over kunt brengen op de volgende generatie.”

“We hebben allemaal die ene docent gekend die het verschil maakte”, zegt Kroesen: “dat is ook hoe ik hier zelf ben gekomen. Als elke deelnemer aan deze docentendag ook maar één voorbeeld meeneemt dat ze in de les kunnen gebruiken om leerlingen te inspireren met moderne natuurkunde, ben ik tevreden.”

Educatiecentrum

Voor wie meer wil weten over de relativiteitstheorie, zwaartekrachtsgolven en de Einstein Telescope is er goed nieuws. Met hulp van Gideon Koekoek ontwikkelt het Discovery Museum in Kerkrade (NL) het nieuwe Einstein Telescope Education Centre (ETEC), met lesmateriaal voor de middelbare school. De deuren openen na de zomer van 2024.