Voor het eerst zwaartekrachten tussen kleine deeltjes onderzocht

De zwaartekracht kennen we van planeten en loden kogels. Werkt zij hetzelfde bij, pak hem beet, zandkorrels? Een Weense fysicus zoekt dat als eerste uit, in een experiment op de rand van het haalbare.

Isaac Newton Beeld ANP

Ga even door de knieën, span de spieren en spring. Goede kans dat u even loskomt van de grond en misschien zonder het te beseffen laat zien wat een krachtje van niks die hele zwaartekracht eigenlijk is. Een mensenhuppel volstaat al om bijna aan de greep van een hele planeet te ontsnappen.

Het is dan ook niet per ongeluk dat Isaac Newton rond 1684 zijn gedachten over de zwaartekracht formuleerde om de banen van planeten om de zon te beschrijven. De aarde weegt 5 miljoen miljard miljard kilo, de zon nog eens een miljoen keer meer. Dat zijn massa's waar een fysicus iets mee kan, en waar Newtons beroemde vallende appel ook nog wel iets van merkt. Maar twee appels onderling? En twee zandkorrels, trekken die elkaar nog steeds op precies dezelfde manier aan als hele planeten dat doen?

De natuurkunde gaat er tot nog toe wel van uit, zegt de Oostenrijkse fysicus Markus Aspelmeyer van de Universiteit van Wenen. 'Maar in feite weten we het helemaal niet zo zeker. De kleinste massa's waar de onderlinge aantrekking rechtstreeks gemeten is, zijn ongeveer een ons groot, met een Cavendish-torsiebalans. Daaronder zijn er geen metingen.'

Beeld .

Heilige graal

Dit voorjaar publiceerde de Weense onderzoeker een artikel waarin hij uitlegt dat het gemakkelijk een factor duizend kleiner kan zijn, en misschien nog wel veel meer. En hij gaat het uitzoeken ook. Zijn team legt de laatste hand aan het ontwerp van een experiment om de aantrekking tussen massa's van milligrammen direct te meten. In de zomer wordt er gebouwd. 'In eerste instantie voor de intellectuele kick', zegt Aspelmeyer. 'Het is mooi de eerste te zijn die dit domein binnengaat.'

Verderop lonkt een heuse heilige graal van de natuurkunde. In het domein van de allerkleinste massa's gelden immers de wetten van de quantumwereld, waar deeltjes op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn en krachten ontstaan door de uitwisseling van bijvoorbeeld lichtdeeltjes. En van die wereld weet eigenlijk niemand zeker hoe de zwaartekracht zich er gedraagt. Als een quantumverschijnsel? Of nog steeds net als in de wereld van loden bollen en hele planeten? De deeltjestheorieën negeren tot nog toe de zwaartekracht. En Einsteins zwaartekrachtstheorie zegt van alles over gekromde ruimte en tijd, maar niks over deeltjes.

Doel op lange termijn

Vooralsnog blijft ook het experiment waarmee de Oostenrijkers de zwaartekracht tussen massa's van milligrammen (pakweg een zandkorrel) gaan meten ver weg van het quantumdomein. De grootste objecten waarvan quantumgedrag is aangetoond zijn nog eens een factor duizend lichter dan wat Aspelmeyer gaat gebruiken. Maar het is een begin, zegt hij. 'Quantumgravitatie is een doel op lange termijn, iets voor over tien, twintig jaar misschien. Maar een proof of principle zou een goede eerste stap zijn.' Dat moet binnen een jaar of twee lukken, schat hij nu. Als alles meezit.

Het Weense meetsysteem is alleen onder een microscoop goed te bekijken. Het hart van de opstelling zijn twee looddruppels van minder dan een millimeter groot. De een is op een trilvork geplaatst, waardoor die afwisselend naar de testmassa toebeweegt en er weer van weg.

De testmassa zelf zit vast op een verende ondergrond, onder meer ontworpen door Delftse nanomechanici. Als de twee looddruppeltjes elkaar aantrekken, gaat de testmassa meetrillen met de andere massa en kunnen lasers de trilling ervan extreem precies registreren.

Storingsgevoeligheid

Op papier moet het kunnen, zegt Aspelmeyer. Maar in de praktijk is het een experiment op de rand van het haalbare. Om te werken, moet het systeem extreem goed geïsoleerd worden van de buitenwereld, die trilt van de warmte en beeft en dendert. Alles van een passerende bus tot iemand die de deur dichtslaat kan roet in het eten gooien. Aspelmeyer heeft zijn sommetjes al gemaakt. 'Een trilling van meer dan een femtometer, zeg maar een atoomdiameter, is al fataal.'

Die extreme storingsgevoeligheid heeft de Weense onderzoekers in de armen gedreven van de ontdekkers, eerder dit jaar, van de eerste gravitatiegolven ooit, met de LIGO-detectoren in de Verenigde Staten. Daar, in Washington en Louisiana, meten lasers eventuele trillingen in de ruimte door krankzinnig precies de afstand tussen spiegeltjes op kilometers afstand te meten. De ophanging van die spiegeltjes, dat is wat Aspelmeyer ook wel wil, in zijn lab in midden in Wenen. 'En wie weet waar we heen moeten als we echt het quantumdomein inwillen.'

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