#fysica

Volgens Einstein waren ze er, maar volgens het genie zelf is het onmogelijk om het bestaan ervan door middel van metingen te bewijzen: zogenaamde zwaartekrachtgolven. Vanmiddag zullen er tegelijkertijd op drie plekken in de wereld persconferenties gehouden worden over een nog niet nader genoemd onderwerp, maar in de wetenschappelijke wereld is men er al bij voorbaat zeker van: het bestaan van zwaartekrachtgolven is met onderzoek in onder meer de Amerikaanse staat Washington onomstotelijk bewezen.

Einstein formuleerde in 1915 zijn baanbrekende algemene relativiteitstheorie. Hierin beschreef Einstein de zwaartekracht als een meetkundige eigenschap van zowel de ruimte als de tijd (ook wel gezamenlijk de ruimtetijd genoemd). Einstein voorspelde dat de zwaartekracht ervoor zou zorgen dat zelfs lichtstralen door de massa van een ster afgebogen worden, en, en dan komen we op het voor de leek lastig te bevatten terrein, dat zelfs de tijd door zwaartekracht beïnvloed zou worden, de zogenaamde gravitationele tijddilatatie.

De relativiteitstheorie van Einstein betekende een sprong voorwaarts voor de theoretische natuurkunde, de wetenschappelijke discipline die onderzoek doet naar (het ontstaan van) fundamentele natuurkundige fenomenen als ruimte en tijd, en het ontstaan van het heelal. Zwaartekracht zou zijn ontstaan tijdens de oerknal, en een gevolg zijn van de manier waarop massa de ruimte vervormt, zo zei Einstein.

Bovendien konden andere kosmische gebeurtenissen, zoals een botsing van zwarte gaten, voor specifieke zwaartekrachtgolven zorgen, die als een schokgolf door de ruimte gaan. Echter, zo zei Einstein, zouden deze golven er wel zijn, maar niet meetbaar zijn, en dus alleen in theorie te bewijzen. De grote verwachting onder wetenschappers is dat vandaag metingen worden gepresenteerd die toch het empirische bewijs voor het bestaan van deze golven, die anders dan bijvoorbeeld licht zich nergens door laten verstoren, is geleverd.

Een commentator zij over het belang van deze ontdekking dat het een totaal ander licht op onze waarneming werpt, alsof een doof iemand opeens merkt dat er zoiets als geluid bestaat. Dat is er natuurlijk altijd geweest, alleen werd niet waargenomen. De grote vraag is daarna: wat gaat die persoon doen met die waarneming? Voor het vervolg op de ontdekkingen is het woord nog steeds aan de wetenschap.

Het verwarrende aan de zwaartekracht is de enorme kloof tussen ons dagelijks begrip ervan, en de fundamentele betekenis ervan. Ieder mens weet wat er gebeurt als je een voorwerp vasthoudt en dan loslaat: het valt naar beneden. De mensheid heeft allerlei manier bedacht om de zwaartekracht te tarten, zoals de fiets of het vliegtuig, en sommige mensen hebben hun lichaam of een bepaald voorwerp als een voetbal zo sterk onder controle dat het lijkt alsof ze de zwaartekracht meester zijn. In fundamentele zin is niets minder waar.

De werking van zwaartekracht is een van de natuurwetten waarvan zelfs dieren een notie hebben, en dus is de mensheid er ook al een eeuwigheid mee bezig: de vraag was namelijk steeds waarom een voorwerp naar beneden valt, zonder het antwoord ‘dat is logisch’ te geven.

Uit de Griekse filosofie stamt het idee van de ‘ladder der natuur’ of Scala Naturae, waarin onderscheid wordt gemaakt tussen verschillende verschijnselen op aarde: hoe ‘perfecter’ iets was, hoe meer het de neiging had om naar boven te gaan. Stenen en water vielen naar beneden, planten groeiden omhoog, maar bleven vast in de grond, dieren konden omhoog komen (zeker vogels), mensen hadden hun hoofd in de wolken, en heilige zaken speelden zich sowieso in de hemel af.

Het filosofische wereldbeeld is daarmee eeuwenlang zeer beïnvloed geweest door het idee dat er sprake is van een goddelijke aanwezigheid, die zich hoog in de hemel bevindt. Dit betekent automatisch dat aardse, onwaardige zaken ‘van onderen’ gebeuren (zie ook het menselijk lichaam met de ‘onderbuik’). De zwaartekracht is daarmee een soort scherprechter: onwaardige, aardse zaken vallen naar beneden, waar ze horen, en verheven, pure zaken gaan omhoog: de pure, onbedorven geest van een gestorvene bijvoorbeeld.

Pas vanaf de Renaissance verdween het idee dat de zwaartekracht een soort morele connotatie had langzaam uit de wetenschap, en natuurkundigen als Galileï, Copernicus, Kepler en Huygens onderzochten de krachten die de beweging van voorwerpen in de ruimte beheersten, zoals de middelpuntvliedende kracht bij een ronddraaiende beweging, of de periodieke beweging van een slinger in een uurwerk.

Het was Isaac Newton die voor het eerst een wetenschappelijk idee van de aard van de zwaartekracht wist te formuleren, en belangrijk daarbij was dat hij erin slaagde om aardse fenomenen, zoals een vallend voorwerp, te combineren met astronomische fenomenen als de baan van planeten om de zon, en de baan van de maan om de aarde. Deze beide bewegingen werden door dezelfde krachten veroorzaakt, aldus Newton. Het is een beroemd verhaal dat hij deze theorie bedacht toen hij een appel uit een boom zag vallen. Hij besefte eveneens dat het idee van ‘boven’ en ‘beneden’ op een bolvorm in een oneindig heelal niet relevant was: dingen vallen helemaal niet naar beneden.

Isaac Newton formuleerde in 1687 de gravitatiewet, die de zwaartekracht tussen twee puntmassa’s omschreef (een puntmassa is een term voor een theoretisch lichaam zonder of met verwaarloosbare dimensies, maar toch met een bepaalde massa). De gravitatiewet staat hierboven afgebeeld.

F is de zwaartekracht, boven de streep staan de twee massa’s van de twee voorwerpen, eronder de afstand tussen beide voorwerpen, en G is de gravitatieconstante. Newton toonde aan dat willekeurig twee voorwerpen altijd zwaartekracht op elkaar uitoefenen, hoe klein ook. G is dan ook een heel klein getalletje, en F wordt pas waarneembaar voor ons als een van de twee massa’s erg groot is, zoals een planeet bijvoorbeeld, en de afstand ertussen kosmisch gezien extreem klein.

Pas 111 jaar na bekendmaking van Newtons gravitatietheorie wist de natuurkundige Henry Cavendish een meting te verrichten die aantoonde dat twee voorwerpen op aarde inderdaad een gravitatiekracht op elkaar uitoefenen. Op dezelfde manier zat er meer dan honderd jaar tussen Einsteins voorspelling dat er zwaartekrachtgolven zouden zijn, en de bekendmaking van een daadwerkelijke meting ervan van vandaag, een meting die zelfs niet eens mogelijk was volgens Einstein.

Een beroemde quote van Einstein luidt als volgt: “The strongest force in the universe is Compound Interest (rente-op-rente)”. Hij wilde hiermee wijzen op de neiging van mensen om alles op alles te zetten voor het eigen gewin, en niets anders. Als de mensheid echter zijn verbeeldingskracht gebruikt in plaats van kijkt naar het eigen belang, en gaat worstelen met de daadwerkelijk sterkste kracht in het heelal, namelijk zwaartekracht, dan is hij zelfs in staat om te doen wat volgens Einstein zelf niet mogelijk is: het meten van een zwaartekrachtgolf. Daarvoor was vooral veel voorstellingsvermogen nodig. Ook bij de leek, overigens.