Een fragment uit
Een korte geschiedenis van het universum
door Sarah Alam Malik, vertaald door Evert van der Waa en FvdW
Hoofdstuk 5: Niet als een raderwerk 2: De zwaartekracht gerelativeerd
Nadat hij onze traditionele opvatting van ruimte en tijd had ontmanteld en had samengevoegd tot een vierdimensionale ruimtetijd, probeerde Einstein erachter te komen hoe hij de zwaartekracht in dit geheel kon opnemen. Het resultaat van deze zoektocht wordt gezien als zijn allergrootste prestatie.
Vanaf onze eerste interacties met de wereld leren we dat, als we iets op een hoogte loslaten, dit naar beneden zal vallen. Vanuit onze ervaren werkelijkheid zouden we ook kunnen afleiden dat zwaardere objecten sneller vallen dan lichtere. Als we tegelijkertijd een veer en een hamer laten vallen, zouden we verwachten dat het zwaardere object als eerste de grond raakt. En dat is inderdaad wat er gebeurt. Hieruit zouden we kunnen opmaken dat de zwaartekracht verantwoordelijk is voor het verschil. Dit blijkt echter niet het geval te zijn. De snelheid waarmee objecten onder invloed van de zwaartekracht vallen is niet evenredig met hun massa; de zwaartekracht maakt dat alle objecten met dezelfde snelheid vallen. Als er geen andere krachten werden uitgeoefend op de hamer en de veer, zoals de luchtweerstand die de veer doet zweven, zouden ze allebei op hetzelfde moment de grond raken. Dit lijkt uitermate contra-intuïtief omdat het ingaat tegen al onze ervaringen met alledaagse verschijnselen, maar dat komt voornamelijk doordat we de effecten van de zwaartekracht niet kunnen isoleren van alle andere factoren die invloed hebben op beweging.
Die stelling – die tegenwoordig bekendstaat als de universaliteit van de vrije val – werd in de zeventiende eeuw hardgemaakt door Galilei. Hoewel verhalen de ronde doen dat hij kanonskogels van de toren van Pisa liet vallen, was het experiment dat hij daadwerkelijk uitvoerde aanzienlijk minder sensationeel. Hij liet bollen met verschillende massa's van een hellend vlak rollen en stelde vast dat ze even snel daalden, ongeacht hun massa.
De meest spectaculaire demonstratie van de universaliteit van de zwaartekracht werd enkele eeuwen later op een afstand van meer dan 350.000 kilometer verricht op een ander hemellichaam: de maan. In 1971 voerde de astronaut David Scott het veer-versus-hamer-experiment uit tijdens de laatste maanwandeling van de Apollo 15-missie. Onder het oog van miljoenen televisiekijkers liet hij de hamer en de veer op hetzelfde moment van gelijke hoogte vallen en landden ze beiden, zoals verwacht, tegelijkertijd op het maanoppervlak. Door het gebrek aan lucht op de maan was er geen weerstand die de veer ervan weerhield om met dezelfde snelheid als de hamer te vallen. Dit was volgens het nasa-rapport geruststellend; niet alleen gezien het grote aantal kijkers, maar ook omdat de terugreis van de astronauten in hoge mate afhankelijk was van de geldigheid van de getoetste theorie.
Het feit dat alles in dezelfde mate wordt aangetrokken door de zwaartekracht was onderdeel van Newtons theorie. Maar de zwaartekracht van Newton werkte naar het zich liet aanzien ook onmiddellijk. Als de zon opeens zou worden uitgeschakeld zouden we, volgens de newtoniaanse zwaartekracht, de gevolgen hiervan direct ondervinden. Einstein wist echter dat de snelheid van het licht een kosmische limiet was die door niets overschreden kon worden. Hoe zou het dan mogelijk zijn dat we, als die limiet niet te doorbreken was, het effect van de zwaartekracht onmiddellijk zouden voelen, ongeacht de afstand tussen objecten? Einstein beredeneerde dat de zwaartekracht misschien helemaal geen kracht is in de gebruikelijke zin van het woord; misschien is ze niet iets wat op ons inwerkt, maar is ze eerder een intrinsieke eigenschap van de ruimtetijd waarin we allemaal leven. Hij worstelde bijna tien jaar met de complexe wiskunde die nodig was om zijn ideeën te beschrijven tot hij uiteindelijk in 1915 uitkwam op een stelsel van vergelijkingen die de grondslag van zijn algemene relativiteitstheorie zouden vormen.
De algemene relativiteit stelt dat de kracht die we opvatten als de zwaartekracht eigenlijk de kromming van ruimte en tijd is die wordt veroorzaakt door de massa van objecten. De vergelijkingen beschrijven hoe de ruimtetijd wordt vervormd door materie en energie. Je kunt je het weefsel van de ruimtetijd voorstellen als een grote trampoline, die wordt ingedrukt als er iets zwaars op ligt. Alle kolossale objecten zoals sterren en planeten zijn als bowlingballen die op die trampoline worden gelegd, waarbij ze het weefsel indrukken en zo de omringende ruimtetijd verbuigen of krommen. Vervolgens beïnvloedt deze kromming de beweging van andere objecten. Zo draait de aarde niet om de zon omdat de zon een soort mysterieuze kracht op de omringende ruimte uitoefent, maar omdat de massa van de zon de ruimtetijd eromheen vervormt en zo een soort kuil creëert waar de aarde omheen rolt, zoals ook een paar losgelaten knikkers in de richting van de bowlingbal op de trampoline zouden rollen. Dus wanneer het lijkt alsof objecten onder invloed van de zwaartekracht bewegen, volgen ze slechts de natuurlijke kromming van de ruimtetijd. De natuurkundige John Wheeler heeft dit stijlvol samengevat: materie vertelt ruimte hoe ze moet krommen; ruimte vertelt materie hoe ze moet bewegen.
© Frits van der Waa 2025
