Wanneer we aan zwaartekracht denken, zien we dit meestal als een kracht tussen massa’s. Als je bijvoorbeeld op een weegschaal gaat staan, stelt het getal op de schaal de aantrekkingskracht van de zwaartekracht van de aarde op jouw massa voor, waardoor je gewicht krijgt. Je kunt je ook gemakkelijk de zwaartekracht van de zon voorstellen die de planeten in hun banen houdt, of de zwaartekracht van een zwart gat. Krachten zijn gemakkelijk te begrijpen als duwen en trekken.
Maar we begrijpen nu dat de zwaartekracht als kracht slechts een deel is van een complexer verschijnsel dat de algemene relativiteitstheorie beschrijft. Hoewel de algemene relativiteitstheorie een elegante theorie is, wijkt zij radicaal af van het idee van zwaartekracht als een kracht. Zoals Carl Sagan ooit zei: “Buitengewone beweringen vereisen buitengewoon bewijs,” en Einsteins theorie is een zeer buitengewone bewering. Maar het blijkt dat er verschillende buitengewone experimenten zijn die de kromming van ruimte en tijd bevestigen.
De sleutel tot algemene relativiteit ligt in het feit dat alles in een zwaartekrachtsveld met dezelfde snelheid valt. Ga op de maan staan en laat een hamer en een veer vallen, en ze zullen het oppervlak op hetzelfde moment raken. Hetzelfde geldt voor elk voorwerp, ongeacht zijn massa of fysieke samenstelling, en dit staat bekend als het equivalentieprincipe.
Omdat alles op dezelfde manier valt, ongeacht zijn massa, betekent dit dat zonder een extern referentiepunt, een vrij zwevende waarnemer ver van gravitatiebronnen en een vrij vallende waarnemer in het gravitatieveld van een massief lichaam elk dezelfde ervaring hebben. Zo lijkt het voor astronauten in het ruimtestation alsof zij zweven zonder zwaartekracht. In werkelijkheid is de aantrekkingskracht van de aarde op het ruimtestation bijna even sterk als die op het oppervlak. Het verschil is dat het ruimtestation (en alles erin) daalt. Het ruimtestation bevindt zich in een baan om de aarde, wat betekent dat het letterlijk rond de aarde valt.
De gelijkwaardigheid tussen zweven en vallen is wat Einstein gebruikte om zijn theorie te ontwikkelen. In de algemene relativiteit is de zwaartekracht geen kracht tussen massa’s. In plaats daarvan is zwaartekracht een effect van de kromming van ruimte en tijd in de aanwezigheid van massa. Zonder dat er een kracht op werkt, zal een voorwerp in een rechte lijn bewegen. Als je een lijn trekt op een vel papier, en dan het papier verdraait of buigt, zal de lijn niet meer recht lijken. Op dezelfde manier wordt het rechte pad van een voorwerp verbogen wanneer ruimte en tijd worden verbogen. Dit verklaart waarom alle voorwerpen met dezelfde snelheid vallen. De zwaartekracht kromt de ruimtetijd op een bepaalde manier, zodat de rechte paden van alle voorwerpen in de buurt van de aarde op dezelfde manier worden kromgetrokken.
Wat voor experiment zou dan kunnen bewijzen dat zwaartekracht kromme ruimtetijd is? Eén komt voort uit het feit dat licht kan worden afgebogen door een massa in de buurt. Vaak wordt beweerd dat licht geen massa heeft en dus niet kan worden afgebogen door de zwaartekracht van een lichaam. Dit is niet helemaal juist. Aangezien licht energie heeft, en volgens de speciale relativiteit massa en energie gelijkwaardig zijn, voorspelt Newtons gravitatietheorie dat licht enigszins zou worden afgebogen door een massa in de buurt. Het verschil is dat de algemene relativiteit voorspelt dat het dubbel zo sterk zal worden afgebogen.
Het effect werd voor het eerst waargenomen door Arthur Eddington in 1919. Eddington reisde naar het eiland Principe voor de kust van West-Afrika om een totale zonsverduistering te fotograferen. Hij had al eerder foto’s genomen van hetzelfde gebied aan de hemel. Door de eclipsfoto’s te vergelijken met de eerdere foto’s van dezelfde hemel, kon Eddington aantonen dat de schijnbare positie van sterren verschoof als de zon dichtbij was. De mate van afbuiging kwam overeen met Einstein, en niet met Newton. Sindsdien hebben we een soortgelijk effect gezien, waarbij het licht van verre quasars en sterrenstelsels wordt afgebogen door massa’s dichterbij. Het wordt vaak gravitatielens genoemd, en het is gebruikt om de massa’s van sterrenstelsels te meten, en zelfs om de effecten van donkere materie te zien.
Een ander bewijsstuk staat bekend als het tijdvertragingsexperiment. De massa van de Zon trekt de ruimte in haar buurt krom, zodat licht dat in de buurt van de Zon komt, niet in een perfect rechte lijn gaat. In plaats daarvan reist het langs een licht gebogen pad dat een beetje langer is. Dit betekent dat licht van een planeet die aan de andere kant van het zonnestelsel staat dan de aarde, ons iets later bereikt dan we anders zouden verwachten. De eerste meting van deze tijdvertraging werd eind jaren zestig gedaan door Irwin Shapiro. Radiosignalen werden door Venus vanaf de Aarde teruggekaatst toen de twee planeten bijna aan weerszijden van de zon stonden. De gemeten vertraging van de rondreis van de signalen was ongeveer 200 microseconden, precies zoals voorspeld door de algemene relativiteit. Dit effect staat nu bekend als de Shapiro-tijdvertraging, en het betekent dat de gemiddelde lichtsnelheid (zoals bepaald door de reistijd) iets langzamer is dan de (altijd constante) momentane lichtsnelheid.
Een derde effect zijn gravitatiegolven. Als sterren de ruimte om zich heen vervormen, dan zou de beweging van sterren in een dubbelstersysteem rimpelingen in de ruimtetijd moeten veroorzaken, vergelijkbaar met de manier waarop het wervelen van je vinger in water rimpelingen op het wateroppervlak kan veroorzaken. Als de zwaartekrachtsgolven van de sterren wegstralen, onttrekken ze een deel van de energie aan het dubbelstersysteem. Dit betekent dat de twee sterren geleidelijk dichter naar elkaar toe bewegen, een effect dat bekend staat als bezieling. Naarmate de twee sterren bezielen, wordt hun omlooptijd korter omdat hun banen kleiner worden.
Voor gewone dubbelsterren is dit effect zo klein dat we het niet kunnen waarnemen. In 1974 ontdekten twee astronomen (Hulse en Taylor) echter een interessante pulsar. Pulsars zijn snel roterende neutronensterren die toevallig radiopulsen in onze richting uitzenden. De pulsfrequentie van pulsars is doorgaans zeer, zeer regelmatig. Hulse en Taylor merkten op dat de pulsar dan weer iets sneller ging en dan weer iets langzamer, met een regelmatige snelheid. Zij toonden aan dat deze variatie het gevolg was van de beweging van de pulsar in zijn baan om een ster. Zij konden de baanbeweging van de pulsar zeer nauwkeurig bepalen en de omlooptijd tot op een fractie van een seconde nauwkeurig berekenen. Toen zij hun pulsar in de loop der jaren observeerden, merkten zij dat de omlooptijd geleidelijk korter werd. De pulsar bezielt door de straling van zwaartekrachtsgolven, precies zoals voorspeld.
Ten slotte is er nog een effect dat bekend staat als frame dragging. We hebben dit effect bij de aarde zelf gezien. Omdat de aarde roteert, kromt zij niet alleen de ruimtetijd door haar massa, maar verdraait zij ook de ruimtetijd om zich heen als gevolg van haar rotatie. Deze verdraaiing van ruimtetijd staat bekend als frame dragging. Het effect is niet erg groot in de buurt van de Aarde, maar het kan worden gemeten door het Lense-Thirring effect. In principe breng je een bolvormige gyroscoop in een baan om de aarde en kijk je of zijn draaias verandert. Als er geen frame versleping is, dan zou de oriëntatie van de gyroscoop niet moeten veranderen. Als er wel sprake is van frame dragging, dan zal de spiraalvormige draaiing van ruimte en tijd ervoor zorgen dat de gyroscoop gaat precessen, en zal de oriëntatie in de loop van de tijd langzaam veranderen.
We hebben dit experiment daadwerkelijk uitgevoerd met een satelliet die bekend staat als Gravity Probe B, en u kunt de resultaten zien in de figuur hier. Zoals u kunt zien, komen ze zeer goed overeen.
Elke van deze experimenten toont aan dat zwaartekracht niet simpelweg een kracht tussen massa’s is. Zwaartekracht is in plaats daarvan een effect van ruimte en tijd. De zwaartekracht is ingebouwd in de vorm van het heelal.
Denk daar eens aan, de volgende keer dat u op een weegschaal gaat staan.