Alledaagse zwaartekracht blijft ingewikkeld wetenschappelijk probleem

Het ruimte-tijd-continuüm van het heelal vervormt door de massa van sterren, planeten en hun manen. beeld LIGO

Wat hebben eb en vloed, een neerstortend vliegtuig en een stromende rivier met elkaar te maken? Ze worden alle drie veroorzaakt door zwaartekracht. Die kracht is zo gewoon dat die niemand verbaast. Wanneer een appel spontaan zou opstijgen, zou dat de voorpagina’s van de kranten halen. Andersom niet.

Aristoteles

Wetenschap begint met goed kijken. Zelfs normale zaken blijken soms lastig te verklaren, zoals de zwaartekracht. Waarom valt alles naar beneden? De Griekse filosoof Aristoteles (384-322 voor Chr.) meent dat alles op aarde naar beneden valt omdat de materie ”van nature” in het midden van de aarde thuishoort.

De Italiaan Galileo Galilei (1564-1642) is de eerste die de zwaartekracht experimenteel onderzoekt. Hij doet waarnemingen aan banen van hemellichamen.

Newton

De eerste die een wiskundige beschrijving van de zwaartekracht geeft, is de Britse natuurkundige Isaac Newton. Vanwege een pestepidemie in 1666 onderbreekt Newton zijn studie in Cambridge en keert tijdelijk terug naar zijn geboorteplaats. Hij filosofeert wat over de zwaartekracht wanneer hij in de boomgaard een appel uit een boom ziet vallen – volgens een apocrief verhaal valt de vrucht op zijn hoofd.

Newton krijgt het lumineuze idee dat de kracht die de appel laat vallen, dezelfde is als die de maan in zijn baan houdt. In 1687 publiceert hij zijn boekwerk ”Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”. Daarin werkt de beroemde Brit zijn theorieën over de zwaartekracht uit: voorwerpen met massa trekken elkaar aan. Daardoor blijft de maan in een baan om de aarde, maar trekt de maan andersom ook aan de aarde, waardoor onder meer eb en vloed ontstaan.

Copernicus

Eerdere astronomen, zoals Copernicus en Kepler, hebben de banen van de hemellichamen tamelijk nauwkeurig beschreven. Maar hoe ze in hun baan kunnen blijven, was onbekend. Newton geeft de banen van de hemellichamen handen en voeten met zijn wiskundige beschrijving van de zwaartekracht.

Einstein

Toch kunnen Newtons wetten afwijkingen in de baan van hemellichamen niet verklaren. Dat probleem lost Albert Einstein in 1915 op met zijn algemene relativiteitstheorie. Zwaartekracht is een vervorming van het ruimte-tijdcontinuüm van het heelal. Dat continuüm is voor te stellen als een rubberen vel. Daarop liggen sterren, planeten en hun manen als biljartballen van allerlei grootte. Door hun massa veroorzaken ze putten in het rubberen vel; hoe zwaarder, hoe dieper. De maan en andere satellieten volgen het kortste pad in de vervorming die de massa van de aarde maakt in het ‘rubberen vel’. Dat is de baan zoals die vanaf de aarde wordt waargenomen.

Laatste woord

Eén vraag heeft de wetenschap nog steeds niet beantwoord: Wat veroorzaakt de zwaartekracht? Een optelsom van de aantrekkingskracht in atomen of van de aantrekkingskracht tussen deeltjes, of is het één van de vier fundamentele natuurkrachten, of iets heel anders? Het laatste woord is daarover nog niet gezegd.