Zoektocht naar zwaartekracht opent zeven verborgen dimensies

De zwaartekracht houdt ons stevig met twee benen op de grond, maar is eigenlijk veel zwakker dan de andere natuurkrachten. Natuurkundigen zochten vergeefs naar een deeltje dat de zwaartekracht overbrengt – maar misschien ligt de ontknoping van het raadsel in zeven nog ongeziene dimensies.

Shutterstock

Toen de astronaut Jack Lousma na een twee maanden lang verblijf in het Amerikaanse ruimtestation Skylab weer op aarde was teruggekeerd, zette hij op een dag zijn aftershaveflesje midden in de lucht.

Een knal en een wolk van glasscherven herinnerden hem eraan dat dit een slecht idee was. Op het ruimtestation was hij eraan gewend dat alle dingen gewichtloos om hem heen zweefden, maar in de badkamer op aarde heersen er heel andere regels.

Hier hebben we te maken met de zwaartekracht, en al merken we er weinig van, alles is eraan onderhevig – ook aftershaveflesjes.

Als je een koffiekopje van tafel pakt, dan merk je de onzichtbare kracht vaag. Als je smartphone tegen het asfalt knalt, is de zwaartekracht ook de schuldige. En sta je op de weegschaal, dan bepaalt hij waar de wijzer komt te staan.

De aarde en het hele heelal zouden zelfs niet eens bestaan als er geen zwaartekracht was.

© Marie Wengler

Bijna 14 miljard jaar geleden, na de oerknal, zorgde de zwaartekracht ervoor dat materie samengetrokken werd, waardoor er sterren en planeten gevormd konden worden.

En dat de aarde rond is, komt ook door deze kracht. De zwaartekracht trekt namelijk alles waar planeten uit bestaan naar hun centrum, en doordat het materiaal niet geheel en al samengeperst wordt, blijft er een ronde vorm over.

De zwaartekracht regeert dus als de machtigste vorst van het heelal. En toch is het een van de grootste raadsels van de wetenschap. Telkens wanneer de onderzoekers een tipje van de sluier oplichten, ontstaan er nieuwe problemen.

De grote en nog altijd onbeantwoorde vraag is hoe de zwaartekracht wordt overgebracht.

Er zou een deeltje kunnen zijn dat de kracht draagt, maar al hebben de onderzoekers dit deeltje inmiddels benoemd – het heet graviton –, ondanks de grootste inspanningen hebben ze het nog nooit op heterdaad weten te betrappen.

Dankzij genieën als Isaac Newton en Albert Einstein weten we nu hoe de zwaartekracht werkt, bijvoorbeeld tussen de aarde en een raket, en hoe hij ervoor zorgt dat planeten rond hun ster draaien. Maar hoe hij werkt op atoomniveau is een raadsel.

Als de wetenschappers erin slagen om dit op te lossen, levert dat ons misschien de ‘gebruiksaanwijzing’ van het heelal op – van het kleinste elementaire deeltje tot het grootste sterrenstelsel.

Steen en water willen terug naar de aarde

Rond 1600 klom de Italiaan Galileo Galilei in een toren en gooide hij twee metalen bollen naar beneden. Dat zou het begin zijn van de wetenschappelijke verkenning van de zwaartekracht, die ook wel gravitatie genoemd wordt.

Galilei geloofde weinig van het toenmalige wereldbeeld, dat nog dateerde uit 350 voor onze jaartelling.

De Griekse wijsgeer Aristoteles begreep al dat de val van een object naar de aarde een oorzaak moest hebben. Naar Aristoteles’ idee was die oorzaak helder: dingen vallen naar de aarde omdat ze de plek waar ze vandaan komen weer opzoeken. Een steen komt van de aarde, dus een steen die valt, keert terug naar de aarde.

Dat geldt ook voor water, dat van nature thuishoort op onze planeet. Vuur en lucht daarentegen zijn niet aards en stijgen daarom op, beweerde Aristoteles.

Hoe zwaarder een voorwerp is, des te grager het terug wil keren naar zijn uitgangspunt om met zijn juiste element te worden verbonden – dus zware voorwerpen vallen sneller dan lichte, aldus de oude Griekse filosoof.

Die theorie leek zo klaar als een klontje, en het zou dan ook nog zo’n 2000 jaar duren voordat iemand er vraagtekens bij zou plaatsen.

En daar komt Galilei in beeld. Onder de hoogleraren aan de universiteit van Pisa stond Galileo Galilei bekend als een begaafd student, maar ook als een onuitstaanbare stijfkop. Alles trok hij in twijfel.

Als 17-jarige was hij in 1581 begonnen aan een medicijnenstudie, maar hij had meer met wiskunde en mechanica – en er knaagde iets aan hem.

Telkens als zijn docenten over de leer van Aristoteles begonnen, kwam Galilei in opstand. Hij weigerde te accepteren dat het gewicht van een voorwerp invloed heeft op de snelheid waarmee het valt.

Wanneer de luchtweerstand geen rol speelt, zoals in een vacuüm, zou ieder lichaam met precies dezelfde snelheid vallen – en een steen valt echt niet sneller dan een veer, meende Galilei.

Rond 1600 nam hij de proef op de som. Hij sleepte een zware en een lichte metalen bol de trappen op naar de top van een toren – volgens de legende was het de Toren van Pisa – om een experiment uit te voeren.

Het verhaal wil dat honderden nieuwsgierige zielen aan de voet van de toren waren samengedromd om te zien hoe die koppige Galilei zichzelf voor schut zou zetten.

Zware en lichte bol vallen even snel

De toeschouwers konden hun ogen niet afhouden van de drieste wetenschapper daarboven, die de metalen bollen losliet en ze vrij van de toren liet vallen.

Een siddering trok door de menigte toen de zware en de lichte bol – tegen alle verwachtingen in – precies tegelijkertijd op aarde ploften en het gelijk van Galilei bewezen.

Met nog veel meer vergelijkbare valexperimenten trok Galilei het tapijt onder de gevestigde kennis weg en demonstreerde hij telkens weer dat het kenmerk van de zwaartekracht is dat alle lichamen ongeacht hun massa even snel onder de invloed ervan op aarde vallen.

Was hij zo’n 400 jaar geworden, dan had hij vast staan juichen bij het experiment dat de Amerikaanse Apollo 15-astronaut David Scott in augustus 1971 tijdens een maanlanding uitvoerde.

Enkele uren voor de terugreis viste Scott een valkenveer uit zijn zak, en voor het oog van de camera liet hij de 30 gram zware veer plus een 1,3 kilo zware hamer vanaf dezelfde hoogte door het vacuüm van de ruimte vallen – als eerbetoon aan Galilei.

En uiteraard vielen de hamer en veer tegelijkertijd in het maanstof, zoals de Italiaan al zo lang geleden wist.

‘Er gaat niets boven een beetje wetenschap op de maan,’ verklaarde David Scott enthousiast vanaf zijn post op zo’n 400.000 kilometer afstand van de aarde.

Terwijl Galilei zich verdiepte in zijn experimenten met de vrije val deed de Duitse astronoom Johannes Kepler een verrassende ontdekking. Na zijn jarenlange observaties van de stand van de planeten aan de hemel moest hij constateren dat de planeten elliptische banen beschrijven en geen perfecte cirkels, zoals de geleerden tot dan toe hadden geloofd.

Kepler stelde een aantal wetten op voor de manier waarop planeten rondom de zon bewegen, maar hij kon niet verklaren waardoor ze bewegen zoals ze dat nu eenmaal doen.

Newtons appelboom gaat de ruimte in

Vrijwel niemand zou stilstaan bij de vraag waarom een rijpe vrucht op aarde valt, maar de 23-jarige Isaac Newton was een buitengewoon begaafde jongeman.

Vanwege de pest die huishield in vooral de Europese steden was hij vanuit Cambridge, waar hij studeerde, gevlucht naar het platteland. Op een nazomerdag in 1666 zat hij in de tuin van zijn ouderlijk huis thee te drinken in de schaduw van een appelboom, terwijl hij zijn gedachten de vrije loop liet – tot er een appel voor zijn voeten neerplofte.

Door die alledaagse gebeurtenis vroeg Newton zich af waarom appels altijd loodrecht neervallen. Waarom vallen ze niet naar boven of naar opzij?

De gedachte viel hem in dat er een of andere aantrekkingskracht in het spel moest zijn. De aarde trok aan de appel en aan alle andere objecten in zijn buurt, en wie weet strekte die aantrekkingskracht zich nog veel verder uit – zelfs tot de maan, en dieper het heelal in.

Dit idee zou verstrekkende gevolgen krijgen, en Newton was er nog jarenlang dag en nacht mee bezig.

© Marie Wengler

Van jongs af aan wist Newton indruk te maken met zijn geniale invallen.

Als jongen had hij een graanmolen uitgevonden die werd aangedreven door muizen, hij had vernuftige klokken ontworpen die de tijd bijhielden met behulp van water en door zijn schaduw te bekijken kon hij onmiddellijk vertellen hoe laat het was.

Had hij bovendien in de toekomst kunnen kijken, dan had Isaac Newton geweten dat de appelboom die in 1666 een van zijn vruchten had laten vallen in de tuin van Woolsthorpe Manor ooit bekend zou staan als The Gravity Tree, de zwaartekrachtboom.

Hij had dan ook geweten dat een handvol zaadjes van dezelfde, extreem kranige appelboom op een decemberdag in 2015 per raket zou opstijgen om te ontsnappen aan de kracht die

ooit de appel voor Newtons voeten had laten vallen. De zaadjes waren bestemd voor experimenten aan het internationale ruimtestation ISS, waar Newtons landgenoot, astronaut Tim Peake, onderzocht hoe een verblijf in de ruimte de groei beïnvloedt.

Dingen met massa trekken elkaar aan

Geïnspireerd door de vallende appel kwam Newton op het idee om de wetten van Kepler voor de beweging van planeten te koppelen aan de valwetten van Galilei. De krachten die op aarde regeren, moeten ook heersen in het heelal, meende Newton.

De kracht die de appel van de boom laat vallen, moet dezelfde zijn als de kracht die de maan in zijn baan rond de aarde en de planeten in hun baan rond de zon houdt. De reden dat de planeten niet naar de zon toe vallen, is dat ze precies met de snelheid bewegen die ze in hun baan vasthoudt.

In 1687 publiceerde Isaac Newton zijn baanbrekende theorie over de gravitatiewet in het meesterwerk Principia, dat later bekend zou worden als een van de belangrijkste wetenschappelijke boeken ooit.

Newton formuleerde hierin niet alleen een wiskundetheorie voor de zwaartekracht, maar bovendien drie wetten die de bewegingen van lichamen beschrijven.

Volgens Newton werkt de zwaartekracht tussen twee lichamen. Alle dingen met massa trekken aan elkaar.

Hoezeer ze dat doen hangt van de massa en onderlinge afstand van de voorwerpen af, zo luidt de theorie, die volgens Newton moest gelden voor alle lichamen in het heelal en die hij de universele gravitatiewet noemde.

Dankzij Newtons vergelijkingen werd het mogelijk om de baan van de planeten in het zonnestelsel en de omloop van de maan ongelofelijk precies te berekenen.

Zelfs voor de getijden en de vorm van de aarde had de Engelsman een verklaring: het getij werd veroorzaakt door de aantrekking van de maan en zon, en als gevolg van de rotatie van de aarde om zijn eigen as vlakte de planeet bij de polen af, bewees Newton theoretisch.

Die bewering is later bevestigd door tal van metingen, foto’s van de ruimte en radar- en satellietgegevens.

Ook het vastleggen van de baan van planeten en kometen volgens de leer van Newton blijft overeind.

Met behulp van zijn formules kunnen astronomen de bewegingen van de planeten duizenden jaren in verleden en toekomst berekenen en daarbij zonsverduisteringen tot op de minuut nauwkeurig voorzien.

Newtons gravitatiewet kan ook verklaren waardoor Galilei’s metalen bollen even snel vielen, al was de ene zwaarder dan de andere.

De kracht die de aarde uitoefent op de zwaardere bol is groter dan de kracht op de lichte bol, blijkt uit de vergelijkingen van zijn gravitatiewet. Maar er is ook meer kracht nodig om de zware bol net zo ver te verplaatsen als de lichte, en die twee grootheden heffen elkaar op.

Onbekende planeet trekt Uranus uit koers

Volgens Newtons theorie stroomt de zwaartekracht door het hele heelal, wat een zware dobber voor de geleerden van zijn tijd was.

Dat de aantrekkingskrachten over vele miljoenen kilometers konden werken en helemaal van de zon naar de aarde konden komen, leek in hun ogen volkomen in strijd met de natuur te zijn.

Newton werd in de schoenen geschoven dat hij met occulte krachten goochelde, maar in 1846 verstomde de kritiek op slag: tot die tijd waren alle planeten bij toeval gevonden, maar puur op basis van Newtons theorieën voorspelden de twee astronomen John Couch Adams en Urbain Le Verrier los van elkaar het bestaan van een nog onbekende planeet, Neptunus.

De onregelmatigheden in de baan van Uranus waren volgens hen te danken aan de zwaartekracht van een onbekende planeet buiten de baan van Uranus.

En deze analyse bleek te kloppen: op de positie die de twee met pen en papier aangegeven hadden, nam de Duitser Johann Galle in 1846 met zijn telescoop de planeet Neptunus waar.

© Marie Wengler

Maar al mocht Isaac Newton zich de ontdekker van de gravitatiewet noemen, hij verbeeldde zich geenszins dat hij de aard van de zwaartekracht kon verklaren – hij had immers niet uitgelegd hoe de zwaartekracht werkt, maar er alleen een formule aan gekoppeld.

‘Dat een lichaam een ander lichaam in een vacuüm kan beïnvloeden over een afstand zonder tussenkomst van een ander ding, waarbij en waardoor hun werking en kracht van de ene op de andere kan overgaan, is voor mij zo’n absurditeit dat geen mens die het vermogen bezit om over filosofische vraagstukken na te denken, er ooit op zou komen,’ schreef Newton in de jaren 1690 in een brief aan een kennis over zijn ontdekking.

Zo gaf hij de taak om de aard van de zwaartekracht te achterhalen door aan natuurkundigen na hem, nader bepaald – zo zou blijken – aan de Duitser Albert Einstein, die begin 20e eeuw bij het Zwitserse Patentbureau in Bern werkte, waar hij patentaanvragen beoordeelde.

Zijn we op aarde of in een ruimteschip?

De ruimte is krom, beweerde de man met de wilde haardos en de twinkelende ogen – en de planeet Mercurius bewees dat Einstein gelijk had met zijn ongelofelijke inzicht.

Rond 1850 was het duidelijk dat Newtons gravitatiewet niet de baan van Mercurius om de zon kon verklaren – bij elk rondje verschuift de ovale baan iets, wat strijdig is met Newtons leer.

Daarop kwam er een grootscheepse zoektocht naar een nog onbekende planeet op gang, die de baan van Mercurius beïnvloedde. Maar zo’n planeet werd nooit gevonden. En die bestaat ook niet.

In 1905 presenteerde de jonge kantoormedewerker Albert Einstein zijn speciale relativiteitstheorie, waarin staat dat tijd en afstand relatieve grootheden zijn, die verband houden met de bewegingssnelheid van de waarnemer.

Ruimte en tijd zijn niet gescheiden, maar vormen één ruimtetijd.

De speciale relativiteitstheorie kan echter veel van het heelal verklaren, maar niet de zwaartekracht. Toen Einstein op een herfstdag in 1907 op kantoor in Bern uit het raam zat te kijken, kreeg hij wat hij later noemde zijn ‘gelukkigste inval’.

Als een man van het dak valt, begreep hij ineens, zal hij in zijn vrije val, gewichtloos als hij daarbij is, niets merken van de zwaartekracht. Hij voelt niet dat hij versnelt, want als hij bijvoorbeeld zijn hamer laat vallen, zal die naast hem in precies hetzelfde tempo versnellen.

In die vlaag van helderheid zag Einstein in dat er een verband tussen zwaartekracht en versnelling moest zijn.

Er is geen experiment te verzinnen dat uitwijst of je je op aarde bevindt of in een ruimteschip dat versnelt met 9,8 m/s2 – dat is de versnelling van voorwerpen in vrije val naar de aarde, de zogeheten valversnelling. In de praktijk zijn versnelling en zwaartekracht hetzelfde.

Dit bracht Einstein op het spoor van een nieuwe en baanbrekende theorie, de algemene relativiteitstheorie, die hij in 1915 naar buiten bracht.

Volgens zijn speciale relativiteitstheorie uit 1905 veranderen de ruimte en de tijd door verschillen in snelheid.

Versnelling is in wezen een verandering van snelheid, en omdat versnelling en zwaartekracht van hetzelfde laken een pak zijn, volgt daaruit dat de ruimtetijd rond alle voorwerpen met massa verandert.

Einstein schrijft in zijn algemene relativiteitstheorie dat de zwaartekracht gewoon een kromming van de ruimtetijd is. Hoe zwaarder een object is, hoe groter de kromming eromheen.

De ruimtetijd is vergelijkbaar met een mat van rubber, waarop de zon bijvoorbeeld als een zware knikker ligt.

Door zijn gewicht maakt de knikker een kuil in de rubberen mat, waardoor een lichtere knikker die over de mat rolt, zoals in dit voorbeeld de aarde, een andere kant op wordt gedwongen.

Zonsverduistering stelt Einstein op de proef

Waar Newton de zwaartekracht opvatte als mysterieuze kracht tussen twee lichamen beweerde Einstein nu in zijn algemene relativiteitstheorie dat de zwaartekracht een eigenschap van de ruimte zelf is – en daarmee kon hij het oude raadsel van de baan van Mercurius oplossen.

Mercurius wordt in zijn baan om de zon gehouden doordat het sterke gravitatieveld van de zon een soort komvormige kromming in de ruimte vormt, waarin de kleine planeet ronddraait als het balletje van de roulette.

Daardoor heeft de baan bij elk rondje om de zon een iets andere hoek ten opzichte van de zon. Mercurius staat het dichtst bij de zon van alle planeten en ondervindt daardoor de meeste gravitatiewerking.

Bij zulke sterke gravitatievelden schiet Newtons gravitatiewet tekort.

© Marie Wengler

De lakmoesproef van Einsteins relativiteitstheorie was echter de volledige zonsverduistering van 1919.

De geleerde had namelijk voorspeld dat het licht van een verre ster die langs de zon trok, zou worden afgebogen doordat de ruimte zich kromt om de zon.

Tijdens de zonsverduistering op 29 mei fotografeerde de Britse astronoom Arthur Eddington een ster vlak bij de zon, en tijdens een bijeenkomst van twee koninklijke wetenschappelijke genootschappen in Londen dat jaar, op 6 november, klonk het verlossende woord.

‘Na een onderzoek van de fotografische opnamen kan ik wel zeggen dat het als een paal boven water staat dat ze Einsteins voorspelling bevestigen,’ verklaarde de astronoom Frank Dyson tijdens de bijeenkomst.

De zon had inderdaad het licht van de ster afgebogen – Einstein had Newton van de troon gestoten met zijn algemene relativiteitstheorie, die de daaropvolgende dagen wereldwijd de krantenkoppen haalde.

‘Revolutie in de wetenschap. Nieuwe theorie over het heelal. Newtons ideeën komen ten val,’ aldus The Times op de voorpagina.

‘Het licht is verdwaald aan de hemel,’ schreef The New York Times, die vervolgde: ‘Onderzoekers zijn buiten zichzelf vanwege de zonsverduisteringsobservaties. Einsteins theorie zegeviert.’

Satelliet meet ruimtekromming op

Einsteins algemene relativiteitstheorie beschrijft vandaag de dag de zwaartekracht het beste. Newtons gravitatiewet werkt echter uitstekend voor het berekenen van onder meer de baan van een raket tijdens de lancering, waarbij de kromming van de ruimte minimaal is. Albert Einstein twijfelde er zelf over of het in de praktijk ooit mogelijk zou zijn om de invloed van de relatief zwakke zwaartekracht van de aarde op de ruimte te meten.

Maar in 2011 deelden NASA-onderzoekers mee dat Einsteins theorie ook op dat punt overeind bleef.

Met vier ultraprecieze gyroscopen om de richting te meten testte de satelliet Gravity Probe B de theorieën van Einstein op 640 kilometer boven het aardoppervlak.

Daartoe werd de rotatieas van de vier gyroscopen tot in de sonde gevolgd, waarbij een telescoop was gericht op de ster IM Pegasi.

Toen de richting naar de ster bepaald was, werden kleine veranderingen in de rotatieas van de gyroscopen door magnetische kwantumdetectoren gemeten.

Volgens Einstein zou de rotatieas van de vier gyroscopen van Gravity Probe B geleidelijk veranderen door de massa en rotatie van de aarde, en bij het nagaan van de meetresultaten vonden de wetenschappers een veranderde hoek in de stand van de gyroscopen.

Dus de metingen bewezen definitief dat het gravitatieveld van de aarde de ruimte kromt ‘Middels deze baanbrekende test hebben we Einsteins heelal op de proef gesteld, en Einstein blijft overeind,’ aldus Francis Everitt, een wetenschapper van Stanford University, tijdens een persconferentie op 4 mei 2011.

Vijf jaar later werd Einsteins idee over de kromming van de ruimtetijd nog eens bevestigd.

Natuurkundigen van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory in de VS deelden in februari 2016 mee dat ze golven in de ruimtetijd hadden gemeten, zogeheten gravitatiegolven, die door het heelal trekken en zich als ringen in het water verspreiden.

Deze rimpelingen in tijd en ruimte stamden van twee zwarte gaten die op elkaar waren geknald, wat – precies zoals Einstein had voorspeld – de ruimtetijd deed golven.

Brengt een deeltje de zwaartekracht over?

Al is de relativiteitstheorie inmiddels door verschillende astronomische observaties bevestigd, onderzoekers kijken je glazig aan als je ze vraagt hoe de zwaartekracht werkt.

Ze weten nu dat er zwaartekracht is doordat de ruimte gekromd wordt.

Maar hoe de kracht wordt overgebracht – hoe massa’s elkaar aantrekken – kunnen ze in wezen niet zeggen. Het beste antwoord tot dusver is dat de zwaartekracht wordt gedragen door een bepaald deeltje, het graviton.

Het bestaan ervan is nog nooit aangetoond in de praktijk maar ligt voor de hand omdat het aansluit bij het principe achter de andere natuurkrachten.

De zwaartekracht is een van de vier fundamentele natuurkrachten die onze wereld aansturen.

Met atomen als bouwstenen van het heelal zijn de natuurkrachten het cement dat de atomen bijeenhoudt en bovendien bepalen ze hoe materie zich gedraagt.

De zwaartekracht en elektromagnetische kracht zijn de natuurkrachten met een oneindig bereik.

Alle massa’s in het universum trekken elkaar aan via de zwaartekracht, en de elektromagnetische kracht van zelfs verre sterrenstelsels is te zien als licht.

De twee andere natuurkrachten, de sterke en de zwakke kernkracht, werken alleen in de atomen, waar de eerste de atoomkern vasthoudt en de tweede verantwoordelijk is voor radioactief verval.

© Marie Wengler

Van de vier natuurkrachten weten onderzoekers het minst over de zwaartekracht, wat paradoxaal is als je bedenkt dat hij overal werkt.

Maar het probleem is dat de zwaartekracht vele malen zwakker is dan de andere natuurkrachten – zelfs een koelkastmagneet overwint de zwaartekracht en kan een speld van de vloer tillen. Van de elektromagnetische en de sterke en zwakke kernkracht zijn de deeltjes die ze overbrengen middels experimenten aangetoond.

Daarbij worden pakketjes energie, die de natuurkundigen ‘kwantums’ noemen, uitgezonden en ontvangen. Het bekendste voorbeeld is het lichtkwantum of foton, dat de elektromagnetische kracht overbrengt. En als drie natuurkrachten werken met kwantums, waarom de vierde dan niet?

Het probleem is alleen dat alle pogingen om het theoretische zwaartekrachtdeeltje te vinden, tot dusver tevergeefs zijn geweest.

Maar aan het Europese centrum voor deeltjesonderzoek in Zwitserland, CERN, zoeken wetenschappers er nog hard naar – de natuurkundigen hopen hier gravitons te kunnen waarnemen met de grootste deeltjesversneller ooit, de 27 kilometer lange, ondergrondse Large Hadron Collider.

In deze versneller worden protonen weggeschoten met bijna de snelheid van het licht, en als ze op elkaar botsen, ontstaan er deeltjes die er bij normale omstandigheden niet zijn.

Kracht is verstopt in onzichtbare dimensies

Als natuurkundigen ooit het bestaan van het graviton aantonen, zijn ze stukken dichter bij een van de grootste doelen van de wetenschap: een theorie van alles.

Die moet alles in het heelal kunnen verklaren, van het kleinste tot het grootste, van atomen en moleculen tot sterren en sterrenstelsels, en daarmee meteen de grootste raadsels oplossen:

Wat veroorzaakte 13,7 miljard jaar geleden de oerknal, de explosieve geboorte van het heelal, en wat gebeurde er in de tijd vlak daarna?

© Marie Wengler

Voor zo’n theorie van alles hebben wetenschappers door de tijden heen gezocht naar simpele natuurwetten om een complexe wereld te beschrijven.

Het eeuwige probleemkind, de zwaartekracht, is echter de enige van de vier natuurkrachten die ze niet kunnen verklaren met behulp van de kwantummechanica – de theorie over de natuurkrachten op de allerkleinste schaal – maar alleen met Einsteins relativiteitstheorie.

‘Ons grote probleem in de natuurkunde is dat alles gebaseerd is op deze twee verschillende theorieën, en als we die combineren, krijg je nonsens.’

Dit zijn woorden van de Amerikaanse natuurkundige Edward Witten.

De formules van de kwantummechanica en de relativiteitstheorie zijn wiskundig onverenigbaar, maar Witten heeft de meest veelbelovende theorie van alles weten te formuleren.

Die kan Einsteins algemene relativiteitstheorie toch met de kwantummechanica samenbrengen. Witten, die geldt als de meest begaafde natuurkundige van zijn tijd, is al sinds 1975 bezig met de zogeheten snaartheorie.

Die theorie streeft naar een samenhangend begrip van materie en natuurkrachten, en de kern ervan is dat alles in het heelal – alle materie en alle vier de natuurkrachten – is gevormd van minieme trillende snaartjes: de kleinste bouwstenen van het heelal.

Ze zijn te beschouwen als draden van energie die maar liefst in 11 dimensies trillen: de drie van ruimte, die van tijd en zeven andere dimensies. Die zijn opgerold, dus we kunnen ze niet zien.

Volgens de supersnaartheorie is de zwaartekracht niet zwakker dan de andere natuurkrachten, al lijkt dat wel zo – we nemen alleen zijn volle werking niet waar doordat hij verspreid is over de extra dimensies.

De supersnaartheorie voldoet aan alle eisen die de natuurkunde stelt aan een theorie van alles – maar zakt als het gaat om bewijzen. De theorie is tot dusver alleen een wiskundige constructie en puur hersenwerk.

De snaren en de extra dimensies zijn zo ongelofelijk klein dat we ze niet kunnen zien. Daarmee is de theorie dus niet zo een-twee-drie te bewijzen – tenzij er een wonder gebeurt in de Large Hadron Collider.

Als de detectoren van deze deeltjesversneller ineens een onverwachte gast in de vorm van een nog onbekend deeltje opsporen, kan dit het langverwachte graviton blijken te zijn, dat zich openbaart voor het verdwijnt in de onzichtbare dimensies.

Gebeurt dat, dan zal het voor de wetenschappers – de zwaartekracht ten spijt – niet meevallen om met beide benen op de grond te blijven.

Lees het volgende artikel in de serie ‘In de kern’

We ervaren onszelf als een ik, die vrij kan handelen. Maar uit onderzoek van mensen met een hersenbeschadiging blijkt dat ons zelf niet zo eenduidig is als we denken.

Lees ook:

Einstein facts
Natuurkunde

Albert Einstein: Wat je niet wist

1 minuut
Einstein ung
Relativiteitstheorie

Genie gooit tijd en afstand om

6 minuten
Natuurkunde

Zwaartekracht houdt alles bij elkaar

3 minuten

Log in

Fout: Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
ToonVerberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!