Zeven nullen voor Einstein; ALGEMENE RELATIVITEITSTHEORIE DOORSTAAT OOK NIEUWE TOETS

Deze week publiceert Science de vondst van een subtiel effect dat Einsteins relativiteits- theorie voorspelt. Een concurrerende Amerikaanse groep heeft twijfels en bereidt een nauwkeuriger experiment voor.

'EINSTEIN confirmed!', kondigt Science deze week een artikel aan. Het zal velen wellicht verbazen dat de relativiteitstheorie nog experimentele bevestiging nodig blijkt te hebben. Het gaat hier om een klein relativistisch effect dat nooit eerder werd waargenomen. Dat is op zichzelf al nieuws. Het verschijnsel werd bovendien al in 1918, twee jaar nadat Einstein zijn theorie had geformuleerd, voorspeld door twee Oostenrijkse natuurkundigen, Josef Lense en Hans Thirring. Zij ontdekten dat een roterende massa - een planeet of een zwart gat - zijn 'omgeving' meesleurt. Een voorwerp dat als een maantje met de massa meedraait, zal daarom langer over een omwenteling doen dan een deeltje dat de andere kant op draait. Bovendien zal het vlak waarin ze beide draaien langzaam kantelen.

Al jarenlang zijn verschillende groepen bezig om experimenten op te zetten om het effect te meten. Eén van die groepen, onder leiding van de Italiaan Ignazio Ciufolini van de universiteit van Rome, lijkt nu succes te hebben gehad. Bijna twintig jaar geleden realiseerde Ciufolini zich al dat hij voor het aantonen van het Lense-Thirring (LT) effect heel goed gebruik kon maken van satellieten die zich toch al in een baan om de aarde bevinden. Hij koos er twee uit, LAGEOS I en II (Laser Geodynamic Satelliet) die door de NASA gebruikt worden om metingen te doen aan de aarde, bijvoorbeeld aan bewegingen van de aardschollen. Dat wordt gedaan door korte laserflitsen te reflecteren aan het oppervlak van de satellieten, die daar speciaal voor zijn uitgerust. Zo kan hun snelheid worden gemeten en kan hun afstand tot de aarde tot op enkele millimeters worden bepaald.

ZONNEWIND

Ciufolini en zijn collega's namen alle ruwe gegevens van de afgelopen vier jaar, en lieten daar een ingewikkeld model op los. Er zijn nogal wat 'klassieke' effecten die de precieze baan van een satelliet mede beïnvloeden. Zo is de aarde geen ideale puntmassa, en moet het zwaartekrachtsveld in elke richting apart berekend worden. Verder is er de invloed van zon, maan en andere planeten, zijn er thermische effecten, en speelt de zonnewind een rol. Van alles moet een schatting worden gemaakt, waarna de berekende baan kan worden vergeleken met het in werkelijkheid afgelegde traject. Als alles goed is meegenomen, zal er een klein verschil overblijven, dat dan alleen maar kan worden toegeschreven aan LT-effecten.

Nadat Nature tot twee keer toe een manuscript had afgewezen en een in oktober vorig jaar in een vaktijdschrift gepubliceerd artikel vrij skeptisch werd ontvangen, verscheen gisteren in Science een wat nauwkeuriger analyse, met dezelfde conclusies: het LT-effect is voor het eerst gemeten. Waar de relativiteitstheorie een waarde van 1 voorspelt voor de sterkte van de LT-parameter, vinden Ciufolini en zijn collega's 1,1 met een foutmarge van 0,2.

Maar ook nu zijn er skeptici. Het meest uitgesproken is John Ries, een astrofysicus van de universiteit van Texas in Austin, die zich al meer dan tien jaar met de LAGEOS-data bezighoudt: “Ciufolini's foutenanalyse is sterk vereenvoudigd. Deze zomer komen alle experts bij elkaar om tot een gemeenschappelijk oordeel te komen over alle geclaimde resultaten. Als je de interacties tussen alle effecten mee zou nemen, dan wordt je analyse veel gecompliceerder, en worden de onzekerheden ook veel groter.”

Zelfs de meest directe concurrenten lijken niet uit het lood geslagen. Op de universiteit van Stanford, vlak bij San Francisco, wordt al bijna veertig jaar gewerkt aan het Gravity Probe B-project, dat eind 2000 ook op zoek zou moeten gaan naar de experimentele bevestiging van het LT-effect. George MacKeiser, chief scientist van het project: “Ja, ik wist dat ze bezig waren, maar niet dat er al zoveel was uitgekomen.” En over de foutenmarge: “Wij halen straks nul komma nul nul vijf!”

Misschien is dat zelfvertrouwen terecht. In de afgelopen jaren werden enorme technische problemen opgelost. Het project leek zeven keer een voortijdige dood te zullen sterven, omdat de verantwoordelijke regeringscommissies de geldkraan dicht wilden draaien. En vorig jaar werden de analyses gepubliceerd van waarnemingen van snelle variaties in de röntgenstraling afkomstig van neutronensterren en zwarte gaten. Die satellietmetingen brachten aan het licht dat de accretieschijf rond bepaalde zwarte gaten tijdens zijn draaiing een kleine wiebel vertoonde. Maar die zou behalve door het LT-effecten ook heel andere oorzaken kunnen hebben.

Uiteindelijk zal een keiharde meting uitsluitsel moeten brengen. En als het aan MacKeiser ligt, gaan zij dat doen. Gedurende twee jaar moeten minuscule veranderingen in de draairichting van vier gyroscopen aantonen dat zelfs een relatief kleine massa als die van de draaiende aarde de structuur van de ruimte-tijd een beetje uit zijn verband trekt. MacKeiser: “Stel je de aarde voor als een draaiende bal in een vat honing. Hoe dichter in de buurt van de bal, hoe groter het LT-effect. Een lucifer die in het vat aanvankelijk netjes in de richting van de bal wijst, zal na verloop van tijd een beetje scheef gaan staan, omdat de ene kant sneller draait dan de andere. Dit is precies wat de gyroscopen ook gaan doen.”

Het was de Amerikaanse natuurkundige Leonard Schiff die zich dat in 1960 als eerste realiseerde. Maar al heel snel bleek dat het meten van zo'n afwijking niet eenvoudig was. Zelfs na een vol jaar rondjes draaien in de ruimte op zo'n 600 kilometer boven de polen, zo berekende Schiff, zou de afwijking van een gyroscoop niet groter zijn dan 42 milliboogseconden: dat is de hoek waaronder we een menselijke haar waarnemen op een afstand van vijfhonderd meter. Om dat met een nauwkeurigheid van minder dan 1 procent te kunnen meten, moet de satelliet waar de gyroscopen zich in bevinden enorm stabiel zijn en voortdurend op hetzelfde punt gericht blijven. Daartoe zullen de gyroscopen een miljoen keer beter moeten zijn dan de beste die tot nu toe op aarde in gebruik zijn.

Die gyroscopen maken bijna allemaal gebruik van snel draaiende bolletjes. MacKeiser: “Op aarde heb je bij de ophanging daarvan altijd last van de zwaartekracht. Dat is een van de redenen dat we de ruimte ingaan. Zo wordt een van de zeven 'near zeros' verwezenlijkt: zero gravity. De iets meer dan twee centimeter grote kwartsbolletjes leveren er nog eens drie. Zo zijn ze tot op veertig atoomlagen perfect rond: als de aarde zo glad zou kunnen worden gemaakt zou er tussen de hoogste top en de diepste trog maar een paar meter verschil zitten. Verder is het gebruikte materiaal enorm zuiver en homogeen en heeft ook het slechts duizend atoom dikke metaallaagje aan de buitenkant - van niobium - overal precies dezelfde dikte en dezelfde elektrische eigenschappen.

Dit laagje heeft een aantal functies. In de eerste plaats is het nodig om de bolletjes in een elektrisch veld 'vrij' te kunnen ophangen. Als dat eenmaal is gebeurd, wordt er een heliumstroompje langs geblazen om de draaiing op gang te brengen. Als de benodigde 10.000 omwentelingen per minuut eenmaal zijn bereikt, wordt alle helium eruit gepompt totdat een zo laag vacuüm is verkregen - een volgende 'near zero' - dat de gyroscoop kan blijven draaien en in duizend jaar minder dan een procent van zijn startsnelheid verliest.

LONDON-MOMENT

Maar hoe meet je de draairichting van een perfect rond bolletje zonder enige markering? Daarvoor wordt gebruik gemaakt van een verschijnsel dat alleen in supergeleiders optreedt: het London-moment. De fysicus Fritz London ontdekte dat elke draaiende supergeleider een magneetveldje opwekt waarvan de richting precies langs de draaiingsas ligt. Dat kan gemeten worden met een gevoelige detector een zogenoemde SQUID. Maar daarvoor is het wél nodig dat de storende invloed van elk ander (uitwendig) magneetveld wordt geminimaliseerd. Zelfs dat van de aarde is veel te sterk en moet met een factor 10 worden verzwakt. Weer een 'near zero' dus. De gyroscopen worden daartoe opgesloten in een aantal loden ballonnen. Deze worden zo ver afgekoeld dat het lood supergeleidend wordt en ze daarom magneetvelden gaan buitensluiten. Als de ballonnen na elkaar ook nog eens worden opgeblazen, wordt elke keer het veld binnenin sterk 'verdund'.

Door alle supergeleidende trucs is het van levensbelang dat het hele instrument twee jaar lang koud genoeg wordt gehouden: zo'n 270 graden onder nul. Daartoe wordt een enorme thermosfles met meer dan 2.000 liter vloeibaar helium meegestuurd. Die maakt het grootste gedeelte van de satelliet uit. Maar daar mag dan niet meer dan 0,1 watt aan warmte aan worden toegevoerd. Dat zou geen probleem zijn als de container helemaal afgesloten kon worden. Om de instrumenten af te kunnen lezen en te kunnen besturen moeten er zo'n zevenhonderd stroomdraadjes naar binnen worden gevoerd en die wekken warmte op. Door een speciale legering te kiezen wordt die zo goed mogelijk binnen de perken gehouden.

Ten slotte dient er nog speciale aandacht te worden gewijd aan de telescoop, die gebruikt wordt om de satelliet op een en hetzelfde punt - een dubbelstersysteem in het sterrenbeeld Pegasus - gericht te houden. Alle componenten daarvoor worden apart gemaakt, en vervolgens perfect vlak en schoon gemaakt. Als ze dan op elkaar worden gedrukt maken de atomen over het hele oppervlak contact, en blijven de verschillende onderdelen muurvast op elkaar zitten. Het beeldje dat wordt verkregen is iets meer dan een boogseconde groot. Het middelpunt daarvan moet met een enorme precisie worden bepaald. Ook daarvoor moesten weer speciale optische technieken worden ontwikkeld. En zo vraagt ieder aspect van het in totaal 500 miljoen dollar kostende project om een eigen, unieke oplossing. Niet voor niets hebben in de loop der tijd al zo'n zestig promovendi hun proefschrift aan een stukje van GPB gewijd.

Is het wel nodig om de relativiteitstheorie nog eens experimenteel te bevestigen? MacKeiser: “Allereerst is de algemene relativiteitstheorie helemaal niet zo rigoureus getest als bijvoorbeeld de qantumelektrodynamica. Einstein heeft eens gezegd dat de linkerkant van zijn veldvergelijking, die de kromming van de ruimte beschrijft, van graniet was, maar de rechterkant was van zand. In de loop der tijd zijn de metingen die de relativiteitstheorie op de proef stellen veel nauwkeuriger geworden. Wij kunnen straks nog strengere voorwaarden opleggen aan rivaliserende theorieën. Misschien ontdekken we wel dat Einstein het niet bij het rechte eind had!”