De fascinerende zwaartekracht

ISAAC NEWTON vormde zich zo’n 300 jaar geleden een theoretische voorstelling van de werking van de zwaartekracht. Hij stelde zich een man voor die een voorwerp van de top van een ongewoon hoge berg afgooit. Eenvoudigweg losgelaten, zou het voorwerp — als een appel uit een boom — gewoon op de grond vallen.

Als het echter in voorwaartse richting werd gegooid, zou het bij zijn val naar de grond een gekromde baan volgen. Newton redeneerde toen dat als het hard genoeg werd gegooid, het in een baan om de aarde zou gaan cirkelen.

Uit deze theoretische overwegingen werd hem het verband duidelijk tussen de zwaartekracht en de bewegingen van de maan en de planeten: de maan gebonden aan een baan om de aarde vanwege de aantrekking die door de zwaartekracht van de aarde wordt uitgeoefend en de planeten in hun baan gehouden door de zwaartekracht van de zon.

Een universele wet

Na een zorgvuldige studie formuleerde Newton een precieze mathematische beschrijving van deze universele wet. Eenvoudig gesteld zeiden Newtons vergelijkingen dat alle voorwerpen, hetzij klein of groot, een aantrekking op elkaar uitoefenen en dat de sterkte van die kracht afhangt van de massa van die voorwerpen en van hun onderlinge afstand.

Enkele verfijningen daargelaten, gebruiken geleerden nog steeds Newtons basisformules voor de zwaartekracht, vooral bij het opzetten van ruimtevaartprojecten zoals dat waarbij men in 1985 een ruimtesonde op een ontmoeting met de komeet van Halley afstuurde. Trouwens, de Engelse sterrenkundige Edmond Halley, een collega van Newton, gebruikte Newtons theorieën om het jaar te voorspellen waarin die komeet zich een volgende keer zou vertonen.

Newtons ontdekkingen over de zwaartekracht gaven hem iets te zien van de orde die in het universum aan de dag treedt, een ordelijkheid die tot stand komt door een intelligent ontwerp. Maar zijn werk was bij lange na niet het laatste woord over het onderwerp. Aan het begin van deze eeuw kwamen geleerden tot het besef dat sommige aspecten van Newtons theorieën niet voldeden en zelfs tegenstrijdig waren.

Einstein en de zwaartekracht

In 1916 poneerde Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie. Zijn verbazingwekkende ontdekking was dat de zwaartekracht niet alleen vorm geeft aan het universum maar ook de manier bepaalt waarop wij het zien en meten. Ja, de zwaartekracht is zelfs van invloed op de manier waarop tijd wordt gemeten!

Opnieuw helpt een illustratie de kwestie te verduidelijken. Stel u de ruimte voor als een onbegrensd rubber vel. Wanneer er nu een voorwerp op dit meegevende vlak wordt geplaatst, zal dat een kuiltje, een inzinking, veroorzaken. Volgens Einsteins beschrijving zijn de aarde, de zon en de sterren als voorwerpen op een meegevend vlak en zorgen ze ervoor dat de ruimte kromt. Als u een ander voorwerp het rubber vel oprolt, zal het een gekromde baan krijgen tengevolge van de inzinking rond het eerste voorwerp.

Evenzo bewegen de aarde, de planeten en de sterren zich langs gekromde banen en volgen ze de natuurlijke „inzinkingen” in de ruimte. Zelfs een bundel licht wordt afgebogen wanneer hij dicht langs grote massa’s in het universum passeert. Bovendien voorspelden Einsteins vergelijkingen dat licht dat zich tegen de zwaartekracht in beweegt, iets van zijn energie zou verliezen, wat merkbaar wordt in een geringe kleurverschuiving naar de rode kant van het spectrum. Natuurkundigen noemen dit verschijnsel de gravitatieroodverschuiving.

Zo helderde Einsteins theorie niet alleen de discrepanties op die voortvloeiden uit Newtons ontdekkingen, maar onthulde ze ook nieuwe geheimen van de manier waarop zwaartekracht in het universum werkt.

Fascinerende effecten

Dat de zwaartekracht invloed kan uitoefenen op de manier waarop licht zich voortplant, heeft enkele verbijsterende consequenties die sterrenkundigen inderdaad hebben waargenomen.

Woestijnreizigers kennen reeds lang het fenomeen van luchtspiegelingen — optische illusies, gezichtsbedrog, waardoor het lijkt of er in de verte water ligt te schitteren. Nu hebben astronomen kosmische „spiegelingen” gefotografeerd. Waar gaat het om?

Licht dat afkomstig is van een ver verwijderd object — naar men gelooft de actieve kern van een sterrenstelsel en een quasar, of quasi-stellair object, geheten — passeert tussen de bron ervan en ons op aarde tussenliggende sterrenstelsels. Als het licht de sterrenstelsels passeert, wordt het door gravitatiekrachten afgebogen. Het afbuigen van het licht maakt dat er twee of meer beelden van de ene quasar worden gevormd. Een waarnemer op aarde die denkt dat het licht recht op hem af is gekomen, concludeert dat hij meer dan één object ziet.

Een ander fascinerend aspect dat voortvloeit uit Einsteins werk, betreft zwarte gaten. Wat zijn dit, en wat is hun connectie met de zwaartekracht? Een simpel experiment verschaft het antwoord.

Gooi eens iets recht omhoog. U zult opmerken dat het een bepaalde hoogte bereikt, heel even stilstaat en vervolgens naar beneden valt. Met licht gaat het anders. Een bundel licht kan ontsnappen aan de zwaartekracht van de aarde omdat hij zich snel genoeg voortplant.

Veronderstel nu dat de gravitatiekracht veel sterker was, sterk genoeg om zelfs licht niet te laten ontsnappen. Van zo’n object zou niets kunnen ontsnappen. Het object zou zelf onzichtbaar zijn omdat geen licht aan de zwaartekracht ervan zou kunnen ontsnappen en de ogen van een waarnemer zou kunnen bereiken — en vandaar de naam zwart gat.

De Duitse astronoom Karl Schwarzschild liet als eerste de theoretische mogelijkheid zien van zwarte gaten. Hoewel er op het moment nog geen definitief bewijs voorhanden is dat er werkelijk zwarte gaten in het universum bestaan, hebben astronomen een aantal mogelijke kandidaten geïdentificeerd. Zwarte gaten zijn wellicht ook de verborgen krachtcentrales van quasars.

Gravitatiegolven

Op basis van Einsteins werk kunnen wij ons de zwaartekracht ook voorstellen als een onzichtbaar web dat alles met elkaar verbindt en het universum bijeenhoudt. Wat gebeurt er wanneer dat web verstoord wordt?

Beschouw opnieuw de illustratie van het rubber vel, en veronderstel dat een voorwerp op dat vel plotseling heen en weer wordt geschud. De trillingen die daardoor in het vel worden opgewekt, zullen nabijgelegen objecten verstoren. Evenzo zouden er als een ster heftig werd „geschud”, daardoor rimpelingen in de ruimte, ofwel gravitatiegolven, opgewekt kunnen worden. Planeten, sterren of sterrenstelsels die zich in de baan van de gravitatiegolven zouden bevinden, zouden ervaren dat de ruimte zelf zou uitzetten en inkrimpen — als een rubber vel dat in trilling is.

Aangezien deze golven nog niet zijn gedetecteerd, is de vraag misschien welk bewijs geleerden hebben dat Einsteins theorie correct is. Een van de beste aanwijzingen komt van een sterrensysteem dat een dubbelster-pulsar heet. Dit bestaat uit twee neutronensterren die zich bewegen om een gemeenschappelijk zwaartepunt, met een periode van ongeveer acht uur.a Een van deze sterren is bovendien een pulsar — hij zendt al roterend een radiopuls uit, zoals het ronddraaiende licht van een vuurtoren. Dank zij de constante tijdsduur tussen de pulsen kunnen astronomen met grote nauwkeurigheid de baan van de twee sterren construeren. Zij bemerken dat de omlooptijd langzaam afneemt in exacte overeenstemming met Einsteins theorie dat er gravitatiegolven worden uitgezonden.

Op aarde zijn de effecten van deze golven oneindig klein. Om daarvan een illustratie te geven: Op 24 februari 1987 ontdekten astronomen een supernova — een ster die een spectaculaire transformatie onderging en stond te stralen met de schittering van een miljoen zonnen terwijl hij zijn buitenste lagen wegblies. Door de supernova geproduceerde gravitatiegolven zouden op aarde een vervorming veroorzaken van slechts het miljoenste van de diameter van een waterstofatoom. Waarom zo’n kleine verandering? Omdat de energie tegen de tijd dat de golven de aarde bereikten over een enorme afstand uitgesmeerd zou zijn.

Onopgeloste raadsels

Ondanks grote vorderingen in kennis zijn er nog steeds bepaalde fundamentele aspecten van de zwaartekracht die geleerden voor raadsels plaatsen. Men neemt reeds geruime tijd aan dat er vier fundamentele krachten zijn — de elektromagnetische kracht die verantwoordelijk is voor elektriciteit en magnetisme, de zwakke en de sterke kracht die binnen de kern van het atoom werkzaam zijn en de zwaartekracht. Maar waarom zijn het er vier? Is het misschien zo dat ze met z’n vieren manifestaties zijn van een enkele fundamentele kracht?

Onlangs is vastgesteld dat de elektromagnetische kracht en de zwakke kracht uitingen zijn van één onderliggend verschijnsel — de elektrozwakke interactie — en er zijn unificatietheorieën die proberen de sterke kracht met deze twee te verenigen. De zwaartekracht echter is het buitenbeentje — deze kracht schijnt zich niet met de andere te laten verenigen.

Geleerden hopen dat er aanwijzingen zullen komen uit recente experimenten die worden uitgevoerd in de ijskap van Groenland. Metingen verricht in een 2000 meter diep gat dat in het ijs is geboord, lijken te kennen te geven dat de zwaartekracht verschilt van wat verwacht werd. Al eerder uitgevoerde experimenten, in mijnschachten en boven op televisietorens, verschaften evenzo aanwijzingen dat een mysterieus effect afwijkingen veroorzaakte ten opzichte van de voorspellingen van de Newtonse beschrijving van de zwaartekracht. Ondertussen proberen enkele theoretici een nieuwe wiskundige benadering te ontwikkelen, de „superstring”-theorie, teneinde de natuurkrachten te unificeren.

De zwaartekracht — van levensbelang

De ontdekkingen van zowel Newton als Einstein laten zien dat wetten de bewegingen van hemellichamen besturen en dat de zwaartekracht als een band het universum bijeenhoudt. Een hoogleraar in de natuurkunde vestigde in een artikel in New Scientist de aandacht op de bewijzen voor ontwerp in deze wetten en zei: „Zelfs maar de kleinste verandering in de relatieve sterkte van de zwaartekracht en de elektromagnetische kracht zou sterren zoals de zon in blauwe reuzen of rode dwergen veranderen. Overal om ons heen lijken wij bewijzen te vinden dat de natuur het precies goed heeft gedaan.”

Zonder zwaartekracht zouden wij eenvoudig niet kunnen bestaan. Gaat u maar na: Zwaartekracht houdt onze zon bijeen en onderhoudt haar nucleaire reacties die ons voorzien van de onontbeerlijke warmte en licht. Zwaartekracht houdt onze tollende aarde in zijn baan rond de zon — zorgend voor dag en nacht en seizoenen — en verhindert dat wij ervan afgeslingerd worden zoals modder van een draaiend wiel spat. De atmosfeer van de aarde wordt op haar plaats gehouden door de zwaartekracht, terwijl de aantrekking van de zwaartekracht van maan en zon zorgt voor de regelmaat van de getijden, die bijdragen tot de circulatie van de wateren van onze oceanen.

Met een heel klein orgaan in ons binnenoor (otoliet) nemen wij de zwaartekracht waar en wij leren er vanaf onze kinderjaren rekening mee te houden wanneer wij lopen, rennen en springen. Hoeveel moeilijker hebben astronauten het niet wanneer zij tijdens ruimtevluchten te maken hebben met gewichtloosheid!

Ja, de zwaartekracht draagt ertoe bij dat wij op aarde normale levensomstandigheden hebben. Het is inderdaad een fascinerend voorbeeld van „de wonderwerken” van onze Schepper. — Job 37:14, 16.

[Voetnoten]

[Illustratie op blz. 16]

Newtons zwaartekrachtwet stelt dat in vacuüm een veer met dezelfde snelheid zou vallen als een appel

[Illustratie op blz. 17]

Licht wordt in de ruimte afgebogen wanneer het zich door het zwaartekrachtveld van andere lichamen beweegt

[Illustratie op blz. 18]

Vanaf onze kinderjaren helpt een klein orgaan in het oor ons rekening te houden met de zwaartekracht en ons evenwicht te bewaren