Schiet Einsteins relativiteit voor het eerst tekort?

Zware voorwerpen vallen even snel als lichte, leren we op school. In twee experimenten wordt het nog eens getest. Als ze toch verschillen vinden, is de boot aan in de natuurkunde.

Beeld Colourbox

Even op het gevoel: wat valt er sneller, een loden kogel of een piepschuimen bal? Tien tegen één dat u toch een fractielang de kogel overwoog. Logisch immers: de aarde trekt harder aan een zwaar voorwerp en waar harder aan getrokken wordt, dat beweegt sneller. Niet dan?

Nee, niet. Bedenk wat we op school allemaal leerden. Aan de loden kogel wordt harder getrokken, maar omdat hij meer massa heeft is hij ook moeilijker te versnellen. Precies zoveel moeilijker dat hij, afgezien van wat luchtweerstand dan, exact tegelijk met de piepschuimen bol de grond zal raken. Het is de crux van Galilei's even beroemde als vermoedelijk apocriefe valproeven vanaf de scheve toren van Pisa in 1589 met zware en lichte kogels. Het is ook wat we zien op een beroemd NASA-filmpje waarop Apollo 15-commandant David R. Scott op 2 augustus 1971 op de maan tegelijk zijn hamer en een vogelveer laat vallen: die komen tegelijk neer.

Dat equivalentieprincipe is de inzet van een aantal experimenten die binnenkort de eerste vrucht moeten gaan afwerpen. Sinds april draait er een Europese kunstmaan om de aarde waarin verschillende testmassa's vrij vallen. In een hoge vacuümtoren van de Universiteit van Bremen gebeurt hetzelfde, maar met wolkjes ijskoude atomen van uiteenlopende massa die meer dan 100 meter vrij naar beneden vallen. De een, het Microscope-project van de Franse ruimtevaartorganisatie CNES, is na maanden kalibreren nu klaar voor de eerste metingen. De Duitse experimentatoren mikken op metingen vanaf begin volgend jaar. Beide streven naar meer helderheid over de vraag of massa er echt niet toe doet in vrije val. Het Duitse antwoord zal 11 tot 13 cijfers achter de komma exact zijn, is de verwachting. De Fransen mikken zelfs op 15 cijfers.

Aan de Universiteit van Amsterdam kijkt theoretisch fysicus Jan Pieter van der Schaar met gemengde gevoelens naar de ijverige gravitatie-experimentatoren. Enerzijds zegt hij, lijkt het meetwerk hem wat willekeurig. 'Er is geen goeie theorie die voorspelt dat precies bij wat zij kunnen meten een afwijking zal opduiken. Waarom bij 13 of 15 cijfers achter de komma en niet pas bij 20?'

Omhoog vallen?

Als er één ding duidelijk lijkt over zwaartekracht, is het dat massa's elkaar aantrekken, niet afstoten. Toch denken sommige fysici dat het ook anders kan. In sommige deeltjesprocessen ontstaan antimateriedeeltjes die kortstondig ook hele anti-atomen kunnen vormen. Daarvan staat niet vast hoe ze op zwaartekracht reageren. Op het Illinois Institute of Technology in Chicago worden metingen voorbereid aan een bundel waterstofachtige muonium-anti-atomen, om te zien of die misschien wel omhoog vallen. Op CERN gebeurt iets soortgelijks. Maar zelfs het idee is omstreden.

Anderzijds beseft hij ook: zodra er zo'n afwijking gevonden wordt, is de boot wel behoorlijk aan in de natuurkunde. 'Dan zijn de gevolgen voor de algemene relativiteitstheorie enorm, lijkt me', zegt hij. 'Voor ons dagelijkse leven zijn er niet zo snel gevolgen. Alles weegt wat het weegt, planeten raken er niet van uit hun banen. Maar in feite zou het voor het eerst zijn dat Einsteins relativiteit principieel tekortschiet.'

Dat komt, doceert Van der Schaar, doordat Einsteins relativiteit helemaal berust op het idee dat zwaartekracht een eigenschap is van ruimte en tijd. Die twee vormen in Einsteins mathematische universum één vierdimensionaal geheel. Massa's vervormen die ruimtetijd zoals een bowlingbal het matras waarop hij wordt gelegd. Andere massa's voelen door die vervorming de aanwezigheid van een massa. Een knikker die over het matras wordt gerold, lijkt naar de bowlingbal getrokken te worden. Volgens Newton door een kracht tussen beide massa's. Volgens Einstein door de vervormde geometrie van de ruimtetijd, zelf.

Einstein publiceerde zijn zwaartekrachttheorie in 1915 na een jarenlange worsteling met vooral de duivelse wiskunde die nodig is om de plooibare ruimtetijd goed te beschrijven. Toen hij er klaar mee was, als hoogleraar in Berlijn, moest hij letterlijk even gaan liggen, schreef hij aan vrienden. 'Ik ben tamelijk kapot.' Tegelijk ging met de nieuwe theorie een wereld aan nieuwe inzichten open, van de uitdijing van het heelal tot het bestaan van zwarte gaten.

Toch is dat succes maar een deel van het verhaal, zegt hoogleraar natuurkunde Claus Lämmerzahl van de ZARN-valtoren van de Universiteit van Bremen. 'We weten bijvoorbeeld nog steeds niet hoe Einsteins geometrie zich gedraagt op de allerkleinste schalen. Er zijn theorieën voor de zogeheten quantumgravitatie. Maar voorlopig is geen ervan verbonden met concreet meetwerk.'

En precies daarin probeert de Duitse hoogleraar al jaren verandering te brengen met de unieke valtoren van de universiteit, een betonnen bakbeest aan de rand van de stad van waaruit Bremen prachtig te overzien is. In de toren is een luchtledige schacht waarin een opgetakelde sonde vol fysische experimenten voor een vrije val van 4,7 seconden kan worden losgelaten. Beneden vangt een diepe bak piepschuimkorrels de sonde weer op en kunnen meetgegevens worden uitgelezen.

De ZARM-toren wordt veelvuldig gebruikt voor kortstondige proeven onder gewichtloosheid, bijvoorbeeld van meetapparatuur die mee moet op ruimtemissies. Ook de industrie is er kind aan huis. Maar voor Lämmerzahl is de heilige graal een proef waarbij zogeheten quantumdruppels (Bose-Einstein condensaten) van verschillende atoomsoorten in vrije val worden bestudeerd, opgesloten in magnetische velden.

Beeld Colourbox

De truc, zegt de fysicus, is met lasers de onderlinge positie te registreren van twee vrijvallende quantumdruppels, de een van het zware rubidium, de ander van het lichtere kalium. De apparatuur is getest en werkt en mogelijk wordt in december al de eerste valmeting gedaan in dit zogeheten Primus-experiment. 'Maar we hebben ongetwijfeld jaren nodig om tot uitspraken te komen', tempert Lämmerzahl de verwachtingen.

Dat de Duitsers niettemin enige haast hebben, komt door een concurrerend project waarvoor ze nota bene zelf apparatuur in de toren in Bremen hebben getest. Dat project is Microscope: een kunstmaan van Franse makelij die sinds de lancering vanaf Kourou in een baan om de aarde draait.

In het hart van de satelliet bevinden zich twee concentrische metalen cylinders waarvan de zwaartepunten exact samenvallen, een zware van een platina/rodium legering en een lichte van titanium. In principe bevinden de twee zich permanent samen in vrije val rond de aarde, en dus is het een ideale gelegenheid om te testen of zware en lichte voorwerpen onderling echt niet bewegen. Versnellingsmeters, getest in Bremen, bekijken dat met extreme precisie.

Woordvoerders van het project zijn weinig toeschietelijk op vragen van de pers. Eind september werd voor het eerst in maanden een persbericht uitgestuurd dat meldde dat de Microscope-systemen wel goed werken. Zo precies zelfs dat ze het duwtje van het zonlicht tegen de satelliet, zodra die uit de aardschaduw komt, kunnen meten als een kleine versnelling. Ergens de komende weken, meldt het team na lang aandringen, zullen vermoedelijk de eerste echte metingen beginnen. Maar een publicatie kan nog jaren duren, schat ook hoogleraar Lämmerzahl. 'Je moet niet over één nacht ijs gaan als je het vloerkleed onder Einstein vandaan kunt trekken. Eén vergissing en je maakt je onsterfelijk belachelijk.'

En wat als er een echte afwijking wordt gevonden? Theoreticus Van der Schaar in Amsterdam droomt weg. 'Je zou kunnen testen welke alternatieve theorie dan wel volstaat en met welke instellingen. Maar voorlopig zou ik er mijn geld niet op inzetten.'

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 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden