Wat is zwaartekracht?

Gravity probe B meet de kromming van d eruimte-tijd rond de Aarde
Artist impression van de Gravity Probe B die de kromming van de ruimte-tijd veroorzaakt door de Aarde meet. Credit: NASA

Naast de elektromagnetische kracht, de sterke en de zwakke kernkracht is zwaartekracht een van de vier fundamentele krachten in de natuur. Ondanks dat de kracht overal aanwezig is en het ook voor ons belangrijk is dat we met onze voeten op de Aarde blijven staan is de zwaartekracht voor wetenschappers nog een grote puzzel.

Oude wetenschappers die de wereld probeerden te beschrijven kwamen met hun eigen verklaringen waarom de dingen op de grond vallen. Zo beweerde de Griekse filosoof Aristoteles dat objecten een natuurlijke neiging hebben om naar het middelpunt van het heelal te bewegen. En in die tijd werd de Aarde in het middelpunt van het heelal geplaatst.

Maar latere inzichten verdreven onze planeet uit het middelpunt van het heelal. De Poolse astronoom en wiskundige Nicolas Copernicus realiseerde zich dat de banen van de planeten aan de sterrenhemel voor logischer zouden zijn met de Zon in het middelpunt. De Britse wiskundige en natuurkundige Isaac Newton breidde de inzichten van Copernicus verder uit en redeneerde dat als de Zon aan de planeten trekt alle objecten een aantrekkingskracht op elkaar uitoefenen.

In zijn beroemde verhandeling uit 1687, de “philosophiae naturalis principia mathematica”, beschreef Newton wat nu zijn wat van de universele zwaartekracht wordt genoemd. Die wet wordt meestal geschreven als:

Fg = G * (m1 * m2)/r2

In deze formule is:

  • F = de zwaartekracht
  • m1 en m2 = de massa van de twee objecten
  • r = de afstand tussen die twee objecten
  • G = de zwaartekrachtsconstante. Dit is een fundamentele constante waarvan  door middel van experimenten de waarde moet worden ontdekt

Zwaartekracht is krachtig maar niet zó krachtig

Zwaartekracht is de zwakste van de fundamentele krachten. Een magneet trekt een paperclip elektromagnetisch omhoog en overwint de zwaartekracht van de hele Aarde op de paperclip. Natuurkundigen hebben berekend dat de zwaartekracht 1040 (dat is een 1 gevolgd door 40 nullen) keer zwakker is dan de elektromagnetische kracht.

Hoewel de effecten van de zwaartekracht duidelijk zichtbaar zijn op de schaal van planeten, sterren en sterrenstelsels is de zwaartekracht tussen alledaagse objecten moeilijk te meten. In 1798 voerde de Britse natuurkundige Henry Cavendish een van ’s werelds eerste experimenten uit om te proberen de waarde van G, de zwaartekrachtconstante, nauwkeurig te bepalen.

Cavendish bouwde een zogenaamde torsiebalans. Dit zijn twee kleine loden ballen die aan de uiteinden van een balk hangen die horizontaal aan een dunne draad is opgehangen. Bij elk van de kleine ballen plaatste hij een groot, bolvormig loden gewicht. De kleine ballen werden door de zwaartekracht aangetrokken naar de zware loden gewichten toe waardoor de draad een heel klein beetje verdraaide en hij de waarde van G kon berekenen.

De torsiebalans van Cavendish
De Torsiebalans van Cavendish. By Henry Cavendish – Cavendish,H.(1798), ‘Experiments to determine the Density of the Earth’ in McKenzie, A.S. ed. Scientific Memoirs Vol.9: The Laws of Gravitation, American Book Co. 1900, p.62 on Google Books., Public Domain

Opmerkelijk genoeg was de schatting van Cavendish voor de waarde van G slechts 1% lager dan de huidige geaccepteerde waarde van 6,674 * 10-11 m3 * kg-1 * s2 (Nm2 * kg-2). Van de meeste andere universele constanten is bekend dat ze veel nauwkeuriger zijn maar omdat de zwaartekracht zo zwak is moeten wetenschappers ongelooflijk gevoelige apparatuur ontwikkelen om te proberen de effecten ervan te meten. Tot dusver is dat niet gelukt.

Albert Einstein zorgde voor de volgende revolutie over onze kennis van de zwaartekracht. Zijn algemene relativiteitstheorie toonde aan dat zwaartekracht ontstaat vanuit de kromming van de ruimtetijd. Dit betekent dat evenwijdige lichtstralen, die deze kromming moeten volgen, worden afgebogen door zware objecten.

Einsteins theorieën werden gebruikt om over zwarte gaten te speculeren. In de nabijheid van zwarte gaten beschrijven de wetten van Newton niet goed meer hoe objecten bewegen. Hier werken de tensorveldvergelijkingen van Einstein wel.

Astronomen hebben sindsdien zwarte gaten gevonden en ze zijn er zelfs in geslaagd om een gedetailleerde foto te maken van het kolossale zwarte gat dat zich in het centrum van ons eigen sterrenstelsel ophoudt. Met andere telescopen zijn overal in het heelal de effecten van zwarte gaten waargenomen.

De toepassing van de zwaartekrachtswetten van Newton op extreem lichte objecten zoals mensen, cellen en atomen blijft een beetje een onontgonnen gebied. Wetenschappers gaan ervan uit dat dergelijke entiteiten elkaar aantrekken met dezelfde zwaartekrachtregels als planeten en sterren maar omdat die zwaartekracht zo enorm zwak is, is het lastig om dit zeker te weten.

Misschien trekken atomen elkaar door middel van de zwaartekracht aan met een snelheid die onze instrumenten niet kunnen meten. Als we dergelijke kleine zwaartekrachten zouden kunnen meten zou dit wellicht een geheel nieuwe fysische werelds voor ons openen.

Een eeuwig mysterieuze kracht

Zwaartekracht brengt wetenschappers ook op andere manieren in verwarring. Het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat de werking van bijna alle bekende deeltjes en krachten beschrijft, laat de zwaartekracht weg. Terwijl licht wordt gedragen door een deeltje dat foton wordt genoemd hebben natuurkundigen geen idee of er een equivalent deeltje is voor de zwaartekracht. Dit deeltje zou dan gravitron worden genoemd.

De zwaartekracht samenbrengen in een theoretisch kader met de kwantummechanica, de andere belangrijke ontdekking van de 20ste -eeuwse natuurkunde, blijft dus nog steeds een onafgemaakte taak. Zo’n theorie van alles zal misschien wel nooit worden gerealiseerd.

Maar de zwaartekracht wordt nog steeds gebruikt om grote vondsten te onthullen. In de jaren ’60 en ’70 toonden de astronomen Vera Rubin en Kent Ford aan dat sterren aan de randen van sterrenstelsels sneller ronddraaien dan mogelijk zou moeten zijn. Het was alsof er een onbekende zwaartekrachtsmassa aan trok waardoor er materie aan het licht kwam die we nu donkere materie noemen.

In de afgelopen jaren zijn wetenschappers er ook in geslaagd om een ander gevolg van de relativiteit van Einstein vast te leggen: zwaartekrachtgolven die worden uitgestoten als massieve objecten zoals neutronensterren en zwarte gaten om elkaar heen draaien. Sinds 2017 heeft de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) een nieuw venster naar het heelal geopend door het buitengewone zwakke signaal van dergelijke gebeurtenissen te detecteren.

Andere artikelen in deze serie:

  • De vier fundamentele natuurkrachten
  • Wat is de zwakke kernkracht
  • Wat is de sterke kernkracht
  • Wat is de elektromagnetische kracht

 

Eerste publicatie: 23 september 2020
Bron: Livescience & anderen