Om een van de principes achter de algemene relativiteitstheorie te testen, zijn twee cilinders aan boord van een satelliet jarenlang nauwlettend in de gaten gehouden. Zou de een, tegen de verwachtingen in, net wat anders vallen dan de ander?
Als je er nog nooit over na hebt gedacht, klinkt het misschien gek, maar: iets zwaars valt niet sneller dan iets lichts, zo weten we al enkele eeuwen. Een zak veren valt in principe even snel als een kanonskogel – als je tenminste de wrijving buiten beschouwing laat.
Albert Einstein maakte dat principe begin twintigste eeuw tot een hoeksteen van de algemene relativiteitstheorie, nog steeds onze beste beschrijving van de zwaartekracht. In die context spreken fysici dan over het zogenoemde zwakke equivalentieprincipe. Jan de Boer, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam, omschrijft dat principe als volgt: “Alle objecten waar geen externe krachten op werken, leggen exact hetzelfde pad door de ruimtetijd af, ongeacht hun massa of samenstelling.”
Maar als natuurkundige hoor je je te blijven afvragen: is dat wel écht zo? Misschien klopt het zwakke equivalentieprincipe toch niet helemaal, als je maar héél precies kijkt. En dat is wat de onderzoekers achter de missie MICROSCOPE de afgelopen jaren heeft gedaan. Vandaag publiceerden ze hun uitkomst: de meest precieze test van het equivalentieprincipe tot nu toe
Lees ook:
Platina versus titanium
MICROSCOPE was een Franse satelliet, gelanceerd in april 2016. Vervolgens trok hij op 700 kilometer hoogte honderden baantjes rond de aarde, tot oktober 2018. Van belang is daarbij dat het een zogenoemde wrijvingsvrije satelliet betrof. Dat houdt in dat je aan boord ervan niets dan de zwaartekracht ervaart. Alle andere krachten – zoals de invloed van de superijle aardatmosfeer op die hoogte – werden gecompenseerd door duwtjes van minuscule raketjes.
Aan boord van die satelliet bevonden zich twee testmassa’s: een cilinder van voornamelijk platina en een cilinder van voornamelijk titanium. Daarnaast waren er, ter controle, twee cilinders met precies dezelfde samenstelling in de satelliet aanwezig.
De cilinders werden op dezelfde plek ten opzichte van elkaar gehouden met behulp van elektrostatische krachten. Zouden de cilinders niet op precies dezelfde manier ‘vallen’, dan zouden de krachten om ze op hun plek te houden ook moeten verschillen. En zo’n verschil zou dan duiden op een schending van het zwakke equivalentieprincipe.
Geheimzinnige kracht
Wat zou dat betekenen, zo’n schending? “Dan is er ofwel iets mis met de algemene relativiteitstheorie, ofwel er werken externe krachten op de testobjecten die we niet kennen”, zegt De Boer. “En allebei die mogelijkheden zijn intrigerend. Het is dus zeker interessant om dit soort experimenten te doen en de relativiteitstheorie zo nauwkeurig mogelijk te testen.”
Maar, je voelt hem al aankomen: uit die test is niets wereldschokkends gebleken – anders had er wel een andere kop boven dit bericht gestaan. Voor zover het MICROSCOPE-team heeft kunnen vaststellen na een analyse van honderden satellietbaantjes rond de aarde, klopt het zwakke equivalentieprincipe. En dus wijst het experiment er niet op dat een van de principes achter onze huidige zwaartekrachtstheorie niet klopt. Of dat er bijvoorbeeld een geheimzinnige nieuwe kracht in het spel is.
Honderd keer preciezer
Wel heeft MICROCOSM de meest nauwkeurige meting van het zwakke equivalentieprincipe tot nu toe weten neer te zetten. Als er een verschil was tussen hoe snel de beide cilinders vielen, moet dat verschil kleiner zijn geweest dan 1 op 1 biljard. Was het groter geweest, dan hadden de onderzoekers er tekenen van moeten zien.
Van het MICROCOSM-team is dit het laatste woord over de kwestie. Wel schrijven de onderzoekers dat hun resultaten kunnen helpen om een volgende missie nog een factor honderd preciezer te maken. Onder andere zou je dan de gouden draadjes uit het experiment moeten vervangen door contactloze verbindingen. Ook moet het isolerend materiaal waarmee de satelliet is omwikkeld minder kreukjes bevatten, of zou het effect van die kreukjes beter bekend moeten zijn.
Maar, zo zegt teamlid Manuel Rodriguez in een persbericht: op zo’n volgende, verbeterde missie zullen we nog minstens een à twee decennia moeten wachten. Voorlopig lijkt deze hoeksteen van de relativiteitstheorie dus nog goed op zijn plek te liggen.
Bronnen: Physical Review Letters, American Physical Society via EurekAlert!
Beeld: MICROSCOPE