De sterkte van de zwaartekracht is nauwkeuriger dan ooit gemeten

Het is lastig om de sterkte van de zwaartekracht te meten en de resultaten van verschillende experimenten liepen altijd behoorlijk uiteen. Een nieuwe test is nauwkeuriger dan ooit.

Al eeuwenlang proberen natuurkundigen te meten hoe sterk de zwaartekracht is. Ze vangen dat in een getal dat met een grote ‘G’ wordt aangeduid. Tot nog toe kwamen verschillende metingen niet goed met elkaar overeen. Dat betekent dat de experimenten niet goed hun werk deden óf dat we de zwaartekracht nog niet volledig begrijpen. Een nieuwste test is bijzonder nauwkeurig en kan natuurkundigen dichter bij een consensus brengen.

Zwakjes trekken

De zwaartekracht is zo moeilijk te meten, doordat hij veel, veel zwakker is dan de andere natuurkrachten, zoals de magnetische kracht of de kracht die deeltjes in een atoomkern bij elkaar houdt. ‘Elk kind dat speelt met magneten is gefascineerd door de manier waarop die elkaar aantrekken. Iets vergelijkbaars geldt voor de zwaartekracht – als je in elke hand een koffiekopje vasthoudt, trekken ze elkaar aan – maar die kracht is zo klein dat je hem niet kunt voelen. Maar dat maakt hem niet minder fascinerend’, zegt natuurkundige Stephan Schlamminger van het Amerikaans Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie (NIST). Dat de zwaartekracht zo zwak is, maakt het ook moeilijk om zijn sterkte nauwkeurig te bepalen.

LEES OOK

'Het rekenen, het klooien… dat is waar het allemaal om draait'

De snaartheorie leek ooit de gedroomde Theorie van Alles. De laatste decennia zijn de hooggespannen verwachtingen echter niet uitgekomen. Fysici worst ...

Daar komt nog eens bij dat je geen experiment kunt opzetten dat je volledig afschermt tegen de zwaartekracht – iets wat met de andere natuurkrachten wel kan. In 1798 probeerde natuurkundige Henry Cavendish dit probleem te omzeilen door gebruik te maken van een torsiebalans. Met dit apparaat mat hij voor het eerst de sterkte van de zwaartekracht, maar de nauwkeurigheid van die meting was nog laag.

Een torsiebalans werkt met een soort horizontale tandenstoker die aan een draadje hangt. Aan elk uiteinde van de tandenstoker zit een knikkertje. Als je een ander voorwerp in de buurt van een van de knikkers brengt, zal de zwaartekracht van dat voorwerp de knikker aantrekken. Daardoor gaat de tandenstoker draaien. Door te meten hoeveel de tandenstoker draait, kun je de sterkte van de zwaartekracht tussen de knikker en het andere voorwerp berekenen. De zwaartekracht van de aarde speelt hierbij geen rol, want die wordt opgevangen door het draadje.

Draaitafels en haren

Het experiment van Schlamminger en zijn collega’s was een stukje geavanceerder. Ze gebruikten acht gewichten die aan draadjes hingen die zo dik waren als een haar. Het geheel stond op twee nauwkeurig gekalibreerde draaitafels.

Dit experiment is voor het eerst uitgevoerd in 2007. Sindsdien hebben de natuurkundigen elke mogelijke verstoring in het experiment gemeten en verwijderd.

Stephan Schlamminger (links) en zijn collega Vincent Lee bekijken de torsiebalans waarmee ze de zwaartekrachtconstante hebben gemeten. Beeld: NIST/R. Eskalis.

‘Dit is experimentele fysica op zijn best’, zegt natuurkundige Jens Gundlach van de Universiteit van Washington in de VS, die niet bij het experiment betrokken was. Natuurkundige Kasey Wagoner van de North Carolina State-universiteit in de VS, die evenmin betrokken was, sluit zich daarbij aan. ‘Deze mate van zorgvuldigheid in alle verschillende effecten die ze hebben onderzocht, maakt dit tot een baanbrekend experiment’, zegt hij.

De waarde van de grote G die het team vond, was 6,67387 × 10^-11 meter³ per kilogram per seconde². Dat is een tikje lager dan de meting uit 2007. Het brengt deze meting meer in lijn met andere tests die in de loop van de jaren zijn uitgevoerd.

Tijdperken van de natuurkunde

‘De grote G is niet alleen een maat voor de sterkte van de zwaartekracht – het is ook een maat voor hoe nauwkeurig je de zwaartekracht kunt meten. In verschillende tijdperken zijn natuurkundigen hiernaar op zoek geweest. We kunnen ons experiment vergelijken met dat van Cavendish van 230 jaar geleden, en over 230 jaar kunnen natuurkundigen hun experiment weer met het onze vergelijken’, zegt Schlamminger.

Door verschillende mogelijke verstoringen die voorheen niet bekend waren te elimineren, heeft Schlammingers team die overeenstemming vergroot, zegt Gundlach. ‘Het ziet er nu beter uit: betrouwbaarder en geloofwaardiger.’

De nieuwe kennis zal in de toekomst worden gebruikt om de sterkte van de zwaartekracht nog nauwkeuriger te bepalen. Dat wordt steeds belangrijker, omdat de observaties van astronomen, die naar het heelal kijken, ook steeds nauwkeuriger worden. Veel van die waarnemingen worden geïnterpreteerd met behulp van onze kennis over de sterkte van de zwaartekracht.

‘Als er iets vreemds aan de hand is met de zwaartekracht heeft dat gevolgen op alle schalen, van het laboratorium tot het heelal’, zegt Wagoner. ‘Wat in het laboratorium een minuscuul verschil is, wordt op de schaal van het heelal enorm uitvergroot en kan grote gevolgen hebben.’

Mysterieuze krachten

De uitkomsten van verschillende proeven verschillen nog steeds. De meeste natuurkundigen zijn het erover eens dat we nog niet goed begrijpen wat de metingen vertekent. De kans bestaat dat de zwaartekracht zich gewoonweg anders gedraagt dan we dachten. Als dat zo is, moeten natuurkundigen de theorie over deze kracht bijstellen.

‘Er zit een barst in ons begrip van de wetenschap en we moeten die barst onderzoeken. Misschien is er niets te vinden, maar het zou dom zijn om er niet naar te kijken’, zegt Schlamminger.