Eeuwenlang hebben wetenschappers geprobeerd de exacte sterkte van de zwaartekracht vast te stellen. Maar ondanks onze technologische sprongen blijft een van de meest fundamentele getallen in het universum frustrerend ongrijpbaar. Een nieuwe studie gepubliceerd in Metrologia heeft een nieuwe, zeer nauwkeurige meting van de zwaartekrachtconstante geïntroduceerd – bekend als “G” of “Big G” – die aanzienlijk lager is dan eerdere bevindingen, waardoor een al lang bestaand debat in de natuurkundegemeenschap opnieuw oplaait.
De uitbijter van de fundamentele natuurkunde
In het grote geheel van het universum is de zwaartekracht een paradox: zij dicteert de beweging van sterrenstelsels en de banen van planeten, maar toch is zij de zwakste van de vier fundamentele krachten van de natuur. Deze inherente zwakte maakt het ongelooflijk moeilijk om te isoleren en te meten zonder inmenging van andere krachten.
Hoewel andere fundamentele constanten – zoals die welke het elektromagnetisme bepalen – met verbluffende nauwkeurigheid bekend zijn, blijft ‘G’ een statistische uitschieter. Om dit in perspectief te plaatsen:
– De onzekerheid bij het meten van de elektromagnetische kracht is grofweg 100.000 keer kleiner dan de onzekerheid bij het meten van de zwaartekracht.
– De afgelopen 50 jaar hebben een tiental verschillende precisie-experimenten een brede spreiding van waarden opgeleverd in plaats van één enkel, uniform getal.
Deze discrepantie is niet alleen een kwestie van academische pedanterie. Zoals natuurkundige Michael Ross van de Universiteit van Washington opmerkt: als deze tegenstrijdige metingen niet het gevolg zijn van experimentele fouten, maar in plaats daarvan een waarheidsgetrouwe weerspiegeling van de natuur zijn, zou dit ons huidige begrip van de natuurkunde fundamenteel breken.
Opnieuw evalueren van de torsiebalans
Om dit probleem aan te pakken kozen natuurkundige Stephan Schlamminger en zijn team van het National Institute of Standards and Technology (NIST) voor een strategie van verfijning in plaats van heruitvinding. In plaats van een geheel nieuwe methode te ontwikkelen, hebben ze minutieus een torsiebalansexperiment nagebouwd dat oorspronkelijk begin jaren 2000 in Frankrijk werd uitgevoerd.
Hoe het experiment werkt:
- De opstelling: Bij het experiment wordt gebruik gemaakt van een roterende ring met vier grote massa’s die een hangende schijf omcirkelen die vier kleinere massa’s bevat.
- De meting: Onderzoekers meten de minieme bewegingen van de kleine massa’s terwijl ze door de zwaartekracht naar de grotere worden getrokken.
- De precisie: Het proces is ongelooflijk gevoelig; Schlamminger merkte op dat het experiment alleen al 10 jaar in beslag nam.
Door de Franse opzet zo goed mogelijk te volgen, probeerden de onderzoekers vast te stellen of de eerdere resultaten accuraat waren of dat verborgen variabelen de gegevens vertekend. Tijdens het proces identificeerde het team voorheen onbekende omgevingsfactoren, zoals de impact van luchtdruk, die dergelijke delicate metingen kunnen verstoren.
Een nieuwe waarde voor G
De nieuwe berekende waarde van het team voor G is 6,67387 × 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻².
Dit resultaat is 0,0235% lager dan het oorspronkelijke Franse experiment. Hoewel dat percentage verwaarloosbaar lijkt, is het in de wereld van de uiterst nauwkeurige metrologie een significante afwijking. Deze nieuwe waarde sluit met name nauwer aan bij de officiële aanbevelingen van de Committee on Data van de International Science Council.
Waarom dit belangrijk is
Hoewel deze nieuwe meting niets zal veranderen aan de manier waarop we het gewicht van objecten in ons dagelijks leven berekenen, is deze van cruciaal belang voor de integriteit van de theoretische natuurkunde. Elke fundamentele constante dient als pijler voor onze wiskundige modellen van het universum. Als deze pijlers niet op één lijn liggen, kan ons hele structurele begrip van hoe de werkelijkheid werkt gebrekkig zijn.
“We besteden zoveel tijd aan het proberen deze cijfers te achterhalen, omdat ze werkelijk het hele universum beheersen.” — Michael Ross, Universiteit van Washington
Conclusie
De nieuwe meting vormt een cruciaal stukje van de puzzel in de voortdurende zoektocht om de zwaartekracht te definiëren. Ook al lost het het debat niet helemaal op, het verkleint de kloof en benadrukt de extreme moeilijkheid van het meten van de kracht die de kosmos bij elkaar houdt.
