Een appel is waarschijnlijk niet echt op het hoofd van Sir Isaac Newton gevallen in 1665, waardoor de verlichting over de aard van vallende lichamen losbarstte. En als je toch bezig bent, vergeet wat je op school geleerd hebt over zwaartekracht. Dat is niet hoe het echt werkt. Maar geloof ons niet op ons woord. Laat de grootste strijders in de geschiedenis van de zwaartekrachttheorie het zelf maar uitvechten.
Ronde 1: Newton
“Zwaartekracht bestaat echt,” verklaarde Newton in 1687. ” werkt volgens de wetten die wij hebben uitgelegd, en dient overvloedig om alle bewegingen van de hemellichamen te verklaren.” Vóór Newton had niemand van zwaartekracht gehoord, laat staan van het concept van een universele wet.
De universiteit van Cambridge, waar Newton studeerde, werd in 1665 gesloten wegens de pest. De 23-jarige vond uitstel in zijn ouderlijk huis en stortte zich maandenlang in koortsachtig wiskundig brainstormen. Dit, plus een dubieuze appelafdaling in de achtertuin, legde de basis voor zijn meesterwerk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. In Principia beschreef Newton de zwaartekracht als een altijd aanwezige kracht, een ruk die alle voorwerpen uitoefenen op nabije voorwerpen. Hoe meer massa een voorwerp heeft, hoe sterker de aantrekkingskracht. Het vergroten van de afstand tussen twee voorwerpen verzwakt de aantrekkingskracht.
De wiskundige verklaringen van deze relaties in Principia waren eenvoudig en uiterst handig. Met zijn vergelijkingen kon Newton voor het eerst verklaren waarom de maan in een baan om de aarde blijft. Tot op de dag van vandaag gebruiken we Newtons wiskunde om de baan van een softbal te voorspellen of van astronauten die op de maan landen. In feite kunnen alle alledaagse waarnemingen van de zwaartekracht op aarde en in de hemel vrij nauwkeurig worden verklaard met Newtons theorie.
Oké, we geloven het. Maar hoe werkt het? Hallo? Stilte in Newtons hoek van de ring. De waarheid is dat Newton de zwaartekracht kon beschrijven, maar niet wist hoe het werkte. “De zwaartekracht moet worden veroorzaakt door een middel dat voortdurend volgens bepaalde wetten werkt,” gaf hij toe. “Maar of dit middel materieel of immaterieel is, heb ik overgelaten aan de beschouwing van mijn lezers.’
Driehonderd jaar lang heeft niemand echt overwogen wat dat middel zou kunnen zijn. Misschien waren mogelijke mededingers geïntimideerd door Newton’s genie. De man vond de calculus uit, in Pete’s naam.
Ding. Ronde 2: Einstein
Blijkbaar was Albert Einstein niet geïntimideerd. Hij verontschuldigde zich zelfs. “Newton, vergeef me,” schreef hij in zijn memoires. “Jij vond de enige manier die, in jouw tijd, nog net mogelijk was voor een man van het hoogste denkvermogen en scheppingskracht.”
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem
In 1915, na acht jaar zijn gedachten op een rijtje te hebben gezet, had Einstein (letterlijk – hij had geen experimentele voorgangers) een middel gedroomd dat de zwaartekracht veroorzaakte. En het was niet zomaar een kracht. Volgens zijn Algemene Relativiteitstheorie is de zwaartekracht veel vreemder: een natuurlijk gevolg van de invloed van een massa op de ruimte.
Einstein was het met Newton eens dat de ruimte dimensies had: breedte, lengte en hoogte. De ruimte kon gevuld zijn met materie, of niet. Maar Newton geloofde niet dat de ruimte werd beïnvloed door de voorwerpen erin. Einstein deed dat wel. Hij theoretiseerde dat een massa de ruimte volop kan beïnvloeden. Het kan het vervormen, buigen, duwen, of trekken. De zwaartekracht was gewoon een natuurlijk gevolg van het bestaan van een massa in de ruimte (Einstein had met zijn Speciale Relativiteitstheorie van 1905 de tijd als vierde dimensie aan de ruimte toegevoegd en noemde het resultaat ruimtetijd. Grote massa’s kunnen ook de tijd vervormen door deze te versnellen of te vertragen).
Je kunt Einsteins zwaartekrachtkromming visualiseren door op een trampoline te gaan staan. Je massa veroorzaakt een inzinking in het rekbare weefsel van de ruimte. Als je een bal langs de kromming bij je voeten rolt, buigt hij naar je massa toe. Hoe zwaarder je bent, hoe meer je de ruimte buigt. Kijk naar de randen van de trampoline – de kromming wordt minder, verder weg van je massa. Zo worden dezelfde Newtoniaanse verhoudingen verklaard (en wiskundig met grotere precisie voorspeld), maar door een andere lens van kromgetrokken ruimte. Pak aan, Newton, zegt Einstein. Met spijt.
Einstein’s theorie sloeg ook triomfantelijk een gat in Newton’s logica. Als, zoals Newton beweerde, de zwaartekracht een constante, onmiddellijke kracht was, dan zou de informatie over een plotselinge verandering van massa op de een of andere manier in het hele universum tegelijk moeten worden doorgegeven. Einstein vond dit niet logisch. Volgens zijn redenering zou, als de zon plotseling zou verdwijnen, het signaal aan de planeten om te stoppen met draaien logischerwijs enige reistijd in beslag moeten nemen. En het zou zeker langer duren om bij Pluto aan te komen dan bij Mars. Daar is helemaal niets universeels onmiddellijk aan.
Wat stelde Einstein voor als het ontbrekende communicatiemiddel? Nogmaals, zijn zeer nuttige ruimte warp. Net als een steen die in een vijver wordt gegooid, veroorzaakt een verandering in massa een rimpeling in de ruimte die zich vanaf de bron in alle richtingen met lichtsnelheid voortbeweegt. Terwijl de rimpeling zich voortbeweegt, wordt de ruimte samengedrukt en uitgerekt. Zo’n verstoring noemen we een gravitatiegolf.
Met deze laatste klap verklaarde Einsteins Algemene Relativiteit alles wat de theorie van Newton deed (en sommige dingen die hij niet deed), en beter. “Ik ben volledig tevreden,” zei Einstein in 1919. “Ik twijfel niet meer aan de juistheid van het hele systeem.”
In deze ronde, overwinning voor Einstein.
Ding. Ronde 3: The Next Wave
Einstein mag dan gravitatiegolven hebben voorspeld, maar hij had er weinig vertrouwen in dat wetenschappers ze ooit zouden ontdekken. Gravitatiegolven knijpen en rekken de ruimte maar een klein beetje uit. In feite is het belachelijk, afschuwelijk, bijna onmogelijk klein: een afstand die honderden miljoenen keren kleiner is dan die van een atoom.
Tot nu toe heeft Einstein gelijk gekregen. Het is al acht decennia geleden dat hij de Algemene Relativiteit introduceerde, en een zwaartekrachtgolf is nog niet ontdekt. Pas in 1974 kwamen wetenschappers zelfs maar in de buurt. In dat jaar analyseerden twee radioastronomen, Joseph Taylor en Russell Hulse, een paar neutronensterren (superdichte ineengestorte sterren) die in een baan om elkaar heen draaien. Hulse en Taylor realiseerden zich dat de omloopbanen versnelden met een snelheid die Einstein voorspelde als er inderdaad gravitatiegolven door het systeem zouden worden gegenereerd. Het eerste indirecte bewijs van gravitatiegolven was binnen, maar de golven zelf werden niet direct gemeten.
Hoewel elk object gravitatiegolven kan opwekken, produceren alleen extreem massieve objecten krommingen van de ruimte die groot genoeg zijn om te meten. Dergelijke reusachtige massaveranderingen komen alleen in de ruimte voor, zoals bij neutronensterren in een baan om de aarde, botsende zwarte gaten of supernova’s. Onderzoekers zoeken nu naar golven die van deze bronnen afkomstig zijn met een van de meest precieze wetenschappelijke instrumenten die ooit zijn gemaakt: LIGO, het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory. LIGO is gigantisch, slim en ziet er vreemd uit, en het kostte meer dan 365 miljoen dollar en 30 jaar om het te ontwikkelen. Het vermogen om infinitesimale afstanden te meten kan helpen om de “ontdekking” van zwaartekrachtgolven op elk moment op de voorpagina van elke krant te zetten en de volgende grote ronde in ons begrip van zwaartekracht in te luiden.
Gerelateerde links
NOVA’s The Elegant Universe
Tijdlijn van gravitatiegeschiedenis
Bekijk Einsteins Algemene Relativiteitspapier en een afbeelding van ruimte-warping
