Zwaartekracht stelt niks voor

Zware boodschappen, overgewicht, dat we niet wegvliegen: geen alledaagser kracht dan de zwaartekracht. Kennen we die dan ook goed? Nee hoor, merkte Martijn van Calmthout, toen hij het boek 'Echt zwaar' schreef.

Beeld Leonie Bos

1. Zwaartekracht stelt niks voor

Als een goudvis die niet weet wat water is, zo moeilijk is het om ons los te denken van wat we denken te weten over de zwaartekracht. De kracht die de boodschappen zwaar maakt en ons aan de grond kluistert, is maar een van de vier krachten die de werkelijkheid beheersen. Tastbaarder dan de kernkrachten of het elektromagnetisme. Maar ook wonderlijk veel zwakker.

Zet twee protonen op een centimeter afstand van elkaar en de onderlinge zwaartekracht is 0,000000000000000000000000 0000000001 keer zo zwak als de elektrische afstoting van de identieke plusladingen. Zwaartekracht begint pas een rol te spelen als er voldoende massa in het spel is. Maar dan is het ook meteen een formidabele grootheid. Waar elektriciteit al na luttele centimeters zijn invloed verliest, omspant de zwaartekracht desnoods hele sterrenstelsels, en tenslotte ook het hele heelal. En toch: met een sprongetje maken we ons al los van de hele aarde. Voor even tenminste.

2. Newton keek voorbij de appel

In de tuin van de boerderij in het Engelse Woolsthorp waar Isaac Newton in 1665 zich verschool voor een pestepidemie in Cambridge staat nog altijd een appelboom. Het is een nazaat, zo gaat het verhaal hardnekkig, van de boom waaruit de appel viel die Newton dat jaar op het idee van de zwaartekracht bracht.

Dat van die boom zou waar kunnen zijn, maar het verhaal van de appel zit anders. In 1665 peinsde Newton niet zozeer over de zwaartekracht op aarde - hij verdiepte zich in de gang der planeten. Als er al een appel viel, bracht die Newton op een vraag: waarom valt de appel wel en de maan niet naar beneden? Het was, meende hij, alsof de maan aan een touw rond de aarde zwierde.

Johannes Kepler had het tempo van die beweging al berekend, en onze eigen Huygens de middelpuntvliedende kracht in dat denkbeeldige touw. Die twee samen leidden tot Newtons wet van de zwaartekracht: sterker als de massa's groter worden, zwakker met het kwadraat van de afstand. Die wet schreef hij overigens pas toegankelijk op toen astronoom Halley hem erom vroeg. In 1687. Wetenschappers hadden de tijd nog aan zichzelf.

Beeld Leonie Bos

3. Galilei's valproef was in Delft

Galileo Galilei staat te boek als de eerste natuuronderzoeker die werkelijk experimenten deed om er iets van te leren en die wat hij leerde ook nog eens in wiskunde wist te vangen. Beweging was zijn ding. Hij dacht na over vallen en botsen, over hoe bewegende waarnemers andere bewegingen zien.

Een proto-Einstein, die zijn vrijpostige denken haast met de brandstapel moest bekopen. Het werd huisarrest en dat alleen al heeft verhinderd dat hij ooit valproeven van de scheve toren van Pisa deed, behalve misschien in zijn hoofd. Doel van die apocriefe proeven was aan te tonen dat Aristoteles ernaast zat toen hij zei dat zware massa's sneller vallen dan lichte.

De proef is simpel: laat van grote hoogte een zware en een lichte kogel vallen en luister of ze tegelijk de grond raken. We schrijven circa 1570. Filosofen als Giambattista Benedetti zijn er dan trouwens al uit: zwaar of licht, massa's vallen altijd in eenzelfde tempo, beredeneren zij. Ga maar na. Laat eerst de twee kogels los vallen, en daarna verbonden door een touw nog eens. Als licht trager valt dan zwaar, remt het de gekoppelde massa's af, maar tegelijk zijn de twee samen zwaarder en moeten ze sneller vallen. Paradox, en dus klopt het uitgangspunt niet.

In 1568 deed de Bruggense ingenieur Simon Stevin van de toren van de Nieuwe Kerk in Delft Benedetti's valproef. Aristoteles zat ernaast.

4. Een slinger gaf de aarde vorm

In zijn kasteeltje Hofwijk in Voorburg (het staat er nog steeds) deed onze grote 17de-eeuwer Christiaan Huygens eindeloos proeven met slingers. Hij zou er de eerste stabiele slingerklok mee bouwen, maar belangrijker was dat hij als eerste de slingerformule neerschreef. De slingertijd van een slinger, zegt die, is alleen afhankelijk van de lengte (niet van de massa aan het uiteinde). En van de aantrekking van de aarde natuurlijk, die massa gaandeweg tot stilstand brengt en weer terug omlaag dwingt.

In 1966 overleed in Amersfoort Felix Vening Meinesz, een hoogleraar geofysica in Utrecht en (later) Delft. Tussen 1923 en 1939 voer Veningh Meinesz mee op duikboten van de Nederlandse marine, voornamelijk naar Nederlands-Indie. Onderweg registreerde hij de slingertijden van twee korte slingers en ontdekte patronen in de variaties. Boven peilloze diepten in de oceaanbodem bleek de aarde minder hard aan het bovenliggende te trekken. Bovendien bleek de zwaartekracht aan de ene kant van de trog groter dan aan de overkant.

Als hij dat in 1948 publiceert, is het koren op de molen van de aanhangers van een nieuwe theorie over de aardkorst. Volgens Alfred Wegener bestaat die uit ronddrijvende schollen met de continenten, die aan de randen botsen en onder elkaar glijden. Vening Meinesz geloofde er niets van, maar droeg niettemin bij aan het moderne beeld van de bewegende aarde, waarvan de zwaartekracht varieert als het oppervlak van een bonkige krent.

5. Einstein geloofde zichzelf niet

In 1916 formuleert Albert Einstein in een ongekende krachtinspanning in Berlijn zijn algemene relativiteitstheorie. Daarin werkt hij zijn oude relativiteitstheorie uit 1905 uit voor versnelde bewegingen. Versnellen, zwaartekracht - in feite blijkt het allemaal verbonden. In een optrekkende lift lijkt de zwaartekracht even toe te nemen; in een vrij vallende lift lijkt diezelfde zwaartekracht verdwenen.


In de nieuwe theorie laat Einstein zien hoe massa de omringende ruimte en tijd vervormt, waardoor andere massa's gekromde banen gaan beschrijven. Het is als met een bowlingbal die op een matras wordt gelegd, waarna een langsrollende knikker naar de zware bal afbuigt. Logisch gevolg, in elk geval voor theoretisch natuurkundigen, is dat de vervormbare ruimtetijd zich soms haast als spul gaat gedragen. Iets tussen gelatinepudding en beton in. Als er bijvoorbeeld een harde klap op wordt gegeven, gaan er trillingen doorheen. Met de lichtsnelheid, rekende Einstein zelf in 1916 uit.


In 1939 bekeek Einstein zijn afleidingen van zulke zwaartekrachtgolven nog een keer, en haalde er een streep door. Die trillingen waren een bijwerking van zijn wiskundige aanpak en niets echts. In 2015 tikte het universum zelf hem op de vingers. In de immense LIGO detectoren - kilometerslange lasertunnels in verre woestijnen - werden wel degelijk golven uit het heelal opgevangen, die ooit ontstaan moesten zijn door botsende zwarte gaten, miljarden lichtjaren ver weg. Voorpaginanieuws, precies een eeuw na Einstein 1916.

Boek 

Net verschenen: Echt Zwaar (uitgeverij LIAS, euro 18,95) waarin Volkskrant-redacteur Martijn van Calmthout de worstelingen met de zwaartekracht door de eeuwen heen volgt - van de eerste valproeven tot de nieuwste reuzedetectoren die kunnen voelen hoe het heelal rilt.

6. Zwaartekracht is een illusie

In 2009 had de Amsterdamse natuurkundige Erik Verlinde een radicale inval. De zwaartekracht, stelde hij in een sindsdien veelbesproken artikel, is geen kracht zoals Newton die zich voorstelde, of de kromming van de ruimtetijd volgens Einstein. Zwaartekracht is wat je voelt als je in een heelal vol informatie massa's van hun plaats probeert te krijgen. Dan spant die informatie samen en geeft mee waar het moet en werkt tegen waar het kan. Ongeveer zoals een gas druk geeft en een elastiek trekkracht.

Eind 2016 haalde Verlinde opnieuw de kranten met dat idee, maar dan uitgewerkter. En passant haalde hij een streep door een van de grootste astrofysische raadsels: welke kracht sneldraaiende sterrenstelsel bij elkaar houdt (voor de zwaartekracht bewegen ze te snel).

In zekere zin is de natuurkunde daarmee weer terug bij af. Eeuwen geleden, toen van de wetenschap nog geen sprake was, werd gedacht dat zware voorwerpen een natuurlijke neiging hadden om naar het veronderstelde centrum van het heelal te willen: het middelpunt van de aarde. Nu zijn volgens de hipste inzichten materie en zwaartekracht illusies in een universum dat bestaat uit informatie die de natuurlijke ordening bewaakt.

Mathematisch is het oneindig veel subtieler en gedegener dan wat Archimedes en de anderen dachten. Maar het raadsel is er eigenlijk niet minder door.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden