AMERIKAANSE FYSICI METEN ZWAARTEKRACHT VAN DE ZWAARTEKRACHT

Natuurkundigen van de Universiteit van Washington (Seattle) hebben met een gevoelige torsiebalans aangetoond dat de bindingsenergie van deeltjes met massa die door de zwaartekracht bijeen worden gehouden en samen een voorwerp vormen, bijdraagt aan de zwaartekracht die dat voorwerp uitoefent op een ander voorwerp (Physical Review Letters, 1 november). Anders gezegd: zwaartekracht geeft zwaartekracht.

De zwaartekracht, ook wel gravitatie genoemd, wordt sinds 1914 op superieure wijze beschreven door de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein. Die is intussen op tal van wijzen experimenteel getest en steeds dik in orde bevonden. Toch wringt er iets: ondanks verwoede pogingen van theoretici is het nooit gelukt de algemene relativiteitstheorie om te werken tot een quantumtheorie van de zwaartekracht. In plaats daarvan zoeken theoretici daarom naar nieuwe quantumtheorieën met als eigenschap dat Einsteins theorie er als een benadering in besloten ligt. Sommige daarvan voorspellen bovenop de gewone zwaartekracht een zwakkere, extra component die wellicht afstotend zou kunnen werken.

In het experimenteel opsporen van afwijkingen van de theorie van Einstein is een sleutelrol weggelegd voor het zogeheten equivalentieprincipe. Dit stelt dat een waarnemer in een afgesloten ruimte (bijvoorbeeld een lift) niet kan uitmaken of zijn gewicht het gevolg is van de zwaartekracht die hem tegen de vloer drukt, of zijn oorzaak vindt in een versnelde beweging (vergelijk de automobilist die tegen de rugleuning wordt gedrukt wanneer hij snel optrekt). Een gevolg van het equivalentieprincipe is dat alle voorwerpen in een constant zwaartekrachtsveld dezelfde versnelling krijgen. Voor de aarde en de maan, die beide in het zwaartekrachtsveld van de zon bewegen, klopt dit met een precisie van één op de duizend miljard. Ter bepaling van dit getal is gebruikt gemaakt van op de maan geplaatste spiegels die sinds dertig jaar laserstralen netjes naar de aarde terugkaatsen.

De Amerikaanse fysici hebben gekeken naar de invloed van de bindingsenergie. Die is vooral bekend van atoomkernen: een heliumkern bezit minder massa dan de twee protonen en twee neutronen, waaruit hij is opgebouwd, los bij elkaar. De `verdwenen' massa is (via de formule E = mc²) omgezet in bindingsenergie om de vier deeltjes aan elkaar te `plakken' – bij een heliumkern gaat het om 0,76 procent. Omdat de zwaartekracht zoveel kleiner is dan de kernkrachten, is de bindingsenergie van de aarde niet meer dan 0,46 op een miljard. Voor de maan bedraagt dit getal 0,02 op een miljard.

De vraag is nu: is het equivalentieprincipe van toepassing op bindingsenergie? Uit de lasermetingen aan de maan valt dat niet direct op te maken omdat aarde en maan niet alleen in bindingsenergie verschillen, maar ook in samenstelling: door zijn vloeibare kern bezit de aarde een hoger gehalte aan ijzer en nikkel. Dit probleem is door de groep uit Seattle opgelost door mini-uitvoeringen van aarde en maan (van de juiste samenstelling) in een gevoelige torsieslinger te plaatsen. Die bevindt zich in hoogvacuüm, terwijl de periodieke draaiing wordt gemeten met laserstralen die op spiegeltjes kaatsen. Verschil in zwaartekracht van de zon op mini-aarde en mini-maan openbaart zich in een periodiek koppel op de slinger. In combinatie met de metingen aan de echte maan was de uitkomst van het Amerikaanse torsie-experiment dat gravitationele bindingsenergie binnen een marge van één op de duizend inderdaad zijn eigen zwaartekracht opwekt.