Het is misschien niet opgevallen om vroege mensen in het stenen tijdperk te sjouwen dat zwaartekracht een relatief zwakke kracht is, maar dat is het wel.
Gedurende hun evolutie zijn mensen gewend geraakt aan het leven op het oppervlak van een bal met een massa van ongeveer 6 × 1024 kg, en onze planeet van deze grootte maakt zwaartekracht op aarde een echte viscerale ervaring voor dergelijke bewuste tweevoeters.
Fast-forward een paar millennia, en we kennen de zwaartekracht nu als de zwakkeling van de fundamentele krachten, die ook zwakke en sterke nucleaire interacties en elektromagnetische kracht omvatten. Zwaartekracht is bijvoorbeeld ongeveer 36 ordes van grootte zwakker dan de elektromagnetische kracht.
Het meten van zwaartekracht tussen objecten van minder dan planeetformaat is altijd lastig geweest en beperkt tot een paar kilogram, maar onderzoek gepubliceerd in Nature toont aan dat het kan worden bereikt tussen twee gouden bollen met een massa van ongeveer 90 milligram en een straal van 1 mm. Dat is ongeveer de massa van een gemiddelde werkbij (hoewel zijn lichaam veel meer ruimte inneemt met een lengte van ongeveer 15 mm).
Een team onder leiding van Markus Aspelmeyer, natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Wenen, gebruikte een torsiebalans om het resultaat te bereiken. De nadering gebruikte de draaiactie op een draad of draad om krachten loodrecht op de zwaartekracht van de aarde te meten. De techniek is niet nieuw: Henry Cavendish gebruikte het voor het eerst in 1798 om de dichtheid van de aarde te meten en het is de standaard manier om de zwaartekrachtconstante G te meten die nodig is om zwaartekracht tussen objecten te voorspellen volgens de wetten van Newton.
Het lab van Aspelmeyer gebruikte een geminiaturiseerde versie van het apparaat om de kleine zwaartekracht te meten en daarbij moest het team elektrostatische krachten blokkeren met behulp van een Faraday-schild en seismische en akoestische effecten door een van de gouden bollen aan te sluiten op een vacuümkamer.
Ondertussen werd de andere bol in een regelmatige beweging steeds verder van de geaarde bol bewogen. De voorspelbaarheid van de resulterende veranderingen in de zwaartekracht hielp bij het elimineren van storende ruis (zie de paper voor een meer gedetailleerde uitleg).
De experimenteerders slaagden erin om een kracht van ongeveer 9 × 10-14 newton tussen de twee bollen te meten. Dit is ongeveer hetzelfde gewicht dat inwerkt op een massa van 9 picogrammen op aarde; 9 picogrammen is ongeveer een derde van de massa van een menselijke rode bloedcel.
“Dit werk opent de weg naar de onontgonnen grens van microscopische bronmassa’s, die studies van fundamentele interacties mogelijk maken en een pad bieden naar het verkennen van de kwantumaard van zwaartekracht,” aldus de auteurs.
In een begeleidend nieuws- en opiniedocument zei Christian Rothleitner, een onderzoeksmedewerker bij het Duitse Physikalisch-Technische Bundesanstalt, dat het resultaat belangrijk was als een prestatie van experimentele vindingrijkheid en een die laat zien dat Newtons 334 jaar oude zwaartekrachtwet goed op deze schaal standhoudt.
“Het experiment is… de eerste om aan te tonen dat Newtons zwaartekrachtwet zelfs voor bronmassa’s zo klein is als deze,” zei Rothleitner.
De wetten van Newton zijn sterk uitgebreid door inzicht te krijgen in Einsteins algemene relativiteitstheorie – een geometrische zwaartekrachttheorie – in termen van het verklaren van de zwaartekracht.
Maar zelfs dit heeft zijn problemen. Rothleitner zei dat natuurkundigen verbaasd zijn over het feit dat de relativiteitstheorie niet verklaart waarom de waargenomen snelheid van sterren die zich door sterrenstelsels bewegen sneller is dan verwacht, wat het idee oproept van donkere materie, een mysterieuze zwaartekrachtgenererende stof. “Niemand weet echter echt waar deze donkere materie van gemaakt is,” zei hij.
Tegelijkertijd zijn metingen van de gravitatieconstante G in de loop van de tijd niet nauwkeuriger gebleken, in tegenstelling tot andere universele constanten zoals de lichtsnelheid.
Ondertussen zegt relativiteit niet hoe zwaartekracht zich gedraagt op het kleine, subatomaire niveau van de kwantummechanica, iets wat de snaartheorie heeft geprobeerd te verklaren.
Rothleitner zei dat als de door Aspelmeyer en zijn team voorgestelde methoden in de loop van de tijd worden verfijnd, het fysici zou kunnen helpen dit laatste probleem aan te pakken. ®