Het fenomeen ‘zwaartekracht’

Zwaartekracht in het tijdperk van Aristoteles

Wanneer we terugkijken naar de klassieke oudheid zien we dat Aristoteles al pogingen deed om het fenomeen ‘zwaartekracht’ te begrijpen. Hij zag zwaartekracht als een natuurlijk streven van objecten om hun natuurlijke plaats te bereiken. In zijn visie gingen zware dingen omlaag naar het centrum van de aarde en de lichte dingen omhoog naar de hemel. Bij hem was zwaartekracht geen universele kracht, maar een eigenschap die voortkwam uit de aard van de materie. Zijn universum was ordelijk, hiërarchisch en doelgericht. Zijn benadering van waarneming en beweging was een belangrijke historische stap die het denken over zwaartekracht voor vele eeuwen heeft bepaald.

Zwaartekracht in het tijdperk van Isaac Newton

Het was Newton, ongeveer 2000 jaar later, die zwaartekracht als een universele kracht zag die overal in het universum invloed had. Hij creëerde de beroemde formule waarin hij de relatie legde tussen massa en zwaartekracht. De zwaartekrachtwet van Newton kan worden samengevat met de formule:

F_zw = G (m₁·x m₂) / r²

Hierin staat F_zw voor de kracht (in newton), G is de gravitatieconstante, m₁ en m₂ zijn de massa’s van de twee objecten, en r is de afstand tussen hun massamiddelpunt.

Deze formule betekent dat elke massa een andere massa aantrekt, en dat de kracht toeneemt als de massa’s groter zijn en snel afneemt als de afstand tussen hen groter wordt.

Newton verenigde met zijn gravitatiewet de beweging van vallende appels op aarde met de beweging van de maan rond de aarde en de planeten rond de zon. Zijn inzichten vormden eeuwenlang het fundament onder de natuurkunde.

Zwaartekracht in het tijdperk van Albert Einstein

Begin 1900 ontstond er een omwenteling met betrekking tot het begrip tijd. Deze omwenteling resulteerde in de speciale relativiteitstheorie in 1905 en in de algemene relativiteitstheorie in 1916. Ondanks de verhelderende concepten uit deze theorieën en de daaropvolgende bewijzen die veel over de gevolgen van de effecten van de zwaartekracht verduidelijkte, geven deze theorieën geen antwoord op de vraag wat zwaartekracht is. Het is onduidelijk waar de zwaartekracht uit bestaat en hoe deze zich verplaats in de ruimte. Kortom: hoe weet de aarde dat er een zon is om omheen te draaien.

De moderne wetenschap biedt verschillende perspectieven. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein is zwaartekracht geen kracht in de klassieke zin, maar het resultaat van massa die de geometrie van de ruimtetijd beïnvloed. Materie vertelt de ruimte hoe die moet buigen en gebogen ruimte vertelt de materie hoe die moet bewegen. Dus we moeten op zoek gaan naar de oorsprong van massa.

Het standaard model kent geen zwaartekracht

Het standaardmodel is een theorie die probeert te beschrijven waaruit alle materie in het universum is opgebouwd en van welke krachten de interactie tussen deze bouwstenen van de materie is opgebouwd. Het ontwikkelen van het standaardmodel is de verdienste van de moderne natuurkunde. Het geeft een raamwerk dat laat zien waaruit alles bestaat en hoe de fundamenten van de werkelijkheid samenwerken. En dat zonder te vervallen in moeilijke formules.

Het standaardmodel ordent de kleinste ondeelbare deeltjes die we kennen. Dat worden de zogenoemde elementaire deeltjes genoemd. Het laat zien hoe alles, van sterren en planeten tot mensen, lucht en licht, kan worden herleid tot deze basiselementen en hun onderlinge wisselwerking. Volgens het standaardmodel bestaat alles om ons heen uit twee hoofdgroepen van elementaire deeltjes: quarks en leptonen.

Quarks: Dit zijn de fundamentele bouwstenen waaruit protonen en neutronen worden gevormd – de deeltjes die samen de atoomkern maken. Er zijn zes soorten quarks: up, down, charm, strange, top en bottom. In de alledaagse materie komen vooral up- en downquarks voor.

Leptonen: Het bekendste lepton is het elektron, dat rond de atoomkern beweegt. Daarnaast zijn er ook zwaardere familieleden: het muon en het tau lepton, elk met hun eigen bijbehorende “neutrino”: het elektron-neutrino; de muon-neutrino en de tau neutrino. En zo zijn er drie plus drie is zes leptonen.

Elk van deze quarks en leptonen zijn deeltjes met unieke eigenschappen zoals massa en lading. Ze zijn de kleinst bekende bouwstenen waaruit alle materie is opgebouwd.

Naast de deeltjes zelf zijn er de krachten die hen samenhouden of uit elkaar duwen. Het standaardmodel beschrijft drie van de vier fundamentele natuurkrachten.

De sterke kernkracht: Dit is de kracht van de quarks die binnen het atoom de protonen en neutronen bij elkaar houdt, en deze deeltjes verbindt tot atoomkernen. Deze kracht is extreem sterk, maar werkt alleen op zeer kleine afstanden, binnen de kern van het atoom.

De zwakke kernkracht: Deze kracht is verantwoordelijk voor bepaalde vormen van radioactief verval, zoals het omzetten van een neutron in een proton. De zwakke kracht speelt een sleutelrol in processen die bijvoorbeeld energie produceren in de zon.

De elektromagnetische kracht: Dit is de kracht die elektrische ladingen aantrekt of afstoot. Dankzij deze kracht bestaan er atomen, moleculen, licht en magnetisme. Het is ook de kracht achter veel alledaagse verschijnselen zoals elektriciteit en magneten.

De vierde fundamentele kracht, de zwaartekracht, wordt opmerkelijk genoeg niet door het standaardmodel beschreven. Hoewel het de kracht is die planeten aan hun sterren bindt en voor ons gewicht op aarde zorgt, blijft zwaartekracht een buitenbeentje waar het standaardmodel geen antwoord op heeft.

De bron van de zwaartekracht is massa

Voor de zwaartekracht is er in theorie het graviton verzonnen, een hypothetisch deeltje dat nog nooit is waargenomen. Wel is in 2012 het Higgsdeeltje aangetoond. Dit deeltje speelt een centrale rol in het proces waardoor andere deeltjes massa krijgen. Volgens deze theorie is het hele universum gevuld met het Higgsveld. Deeltjes die met dit veld in wisselwerking treden krijgen massa.

Massa is een vorm van weerstand

De vervolgvraag dan: waar komt die massa vandaan? Het antwoord ligt in het concept van het Higgsveld. Volgens de huidige theorie is het hele universum doordrenkt met dit veld, een soort onzichtbare energie-zee die overal aanwezig is. Het Higgsdeeltje zelf is als het ware een manifestatie, (een verstoring), van dat veld.

Deeltjes die door het universum bewegen, botsen als het ware voortdurend op het Higgsveld. Sommige deeltjes, zoals het foton, bewegen er moeiteloos doorheen en blijven massaloos. Andere deeltjes ondervinden juist weerstand: hoe sterker de interactie tussen een deeltje en het Higgsveld, hoe meer het ‘afremt’ en hoe groter de massa wordt die het deeltje ‘voelt’. Het lijkt op proberen gewoon te lopen door diep water. Dat lukt je niet. Jij bent te vergelijken met het deeltje. Het water is te vergelijken met het alomtegenwoordige Higgsveld.

Deze weerstand, deze wisselwerking met het alomtegenwoordige Higgsveld, wordt in de natuurkunde geïnterpreteerd als massa. Zonder het Higgsveld (en dus zonder het Higgsdeeltje) zouden alle elementaire deeltjes met de snelheid van het licht door het universum schieten zonder ooit massa te krijgen. Dankzij het Higgsdeeltje — als boodschapper van het Higgsveld — krijgen deeltjes dus hun gewicht en is materie zoals wij die kennen überhaupt mogelijk.

Het standaardmodel slaagt er dus niet in om zwaartekracht te beschrijven. Het is de kracht die we dagelijks ervaren wanneer een appel van een boom valt of de aarde om de zon draait. De zwaartekracht wordt in de klassieke theorieën beschreven als een gevolg van massa, maar op de schaal van elementaire deeltjes is het zo zwak dat het nauwelijks een rol speelt. Moderne pogingen om zwaartekracht samen te brengen met de andere krachten, zoals in de snaartheorie of kwantumzwaartekracht, zijn nog steeds speculatief en wachten op experimenteel bewijs.

Donkere energie en andere kosmische velden kennen statische fluctuaties

Deze stand van zaken laat ruimte over voor speculatieve gedachten- experimenten. Zo’n gedachtenexperiment is bijvoorbeeld het idee dat de ruimte oneindig is en dat het ons bekende heelal daar een onderdeel van is. Het begrip oneindig moet daarbij letterlijk worden genomen. In dit idee is de oneindige ruimte gevuld met ‘donkere’ energie of donkere veldenergie. Die donkere energie is in principe homogeen verdeeld over de oneindige ruimte. Er is dus een oneindige hoeveelheid van. Omdat de theorie van statische fluctuaties zegt dat die homogeniteit altijd verbroken zal worden, zullen in dat veld fluctuaties ontstaan waardoor er concentratieverschillen zullen optreden. Hieruit kunnen zwaartekrachtverschillen ontstaan waaruit grote hoeveelheden energie vrijkomen waardoor een Higgsveld ontstaat. Dit Higgsveld ligt aan de basis van de oerknal.

Het concept van statistische fluctuaties is een intrigerend fenomeen binnen zowel de deeltjesfysica als de kosmologie. In een universum gevuld met velden — zoals het Higgsveld of het veld van de donkere energie — zijn deze velden nooit volledig constant, zelfs niet in een ogenschijnlijk lege ruimte. Op de allerkleinste schaal, waar kwantummechanica regeert, ontstaan er voortdurend kleine, willekeurige fluctuaties: energieën en deeltjes duiken kortstondig op en verdwijnen weer, zonder blijvend effect achter te laten. Zulke fluctuaties worden ook wel vacuümfluctuaties genoemd, omdat ze plaatsvinden in het ‘vacuüm’ van de ruimte.

Statische fluctuaties verschillen hiervan doordat ze juist verwijzen naar schommelingen die niet per se tijdelijk van aard zijn, maar eerder wijzen op een soort achtergrondruis in het veld. Op kosmologische schaal suggereren sommige theorieën dat donkere energie en andere kosmische velden statische fluctuaties kunnen vertonen, die zich uiten als subtiele, maar blijvende variaties in de ruimtelijke structuur van het universum.

Hoewel de impact van deze statische fluctuaties buitengewoon klein is op het niveau van atomen of deeltjes, kunnen ze op de allergrootste schaal, zoals in de verdeling van sterrenstelsels of de uitdijing van het heelal, een meetbaar effect hebben. In sommige modellen wordt aangenomen dat juist de aanwezige fluctuaties als zaadjes dienen voor de structuur van het universum zoals wij dat waarnemen. Zo verbinden statische fluctuaties het domein van de allerkleinste deeltjes met dat van het uitgestrekte kosmische geheel, en vormen ze een brug tussen de kwantummechanica en de kosmologie. Ook vormen statische fluctuaties de verbinding tussen het abstracte domein van de quantumvelden en de tastbare en meetbare materie. In dit gedachtenexperiment kent de oneindige ruimte geen begin en ook geen einde.

De manifestaties van energieën

En zo kun je met de statische fluctuaties in het Higgsveld in het hoofd vier manifestaties van energie definiëren.

De materiële energie

Dat is in eerste instantie de materiële energie waaruit onze zichtbare wereld is opgebouwd en die we kunnen voelen en meten.

Einsteins beroemde E=mc² vergelijking vormt daarbij een fundamentele brug tussen de abstracte concepten van massa en energie.

Hierin staat E voor energie, m voor massa en c voor de lichtsnelheid in het kwadraat.

De formule laat zien dat massa en energie in wezen twee manifestaties zijn van dezelfde onderliggende werkelijkheid: massa kan worden omgezet in energie en omgekeerd. Dankzij het Higgsveld krijgen elementaire deeltjes massa, en door E=mc² begrijpen we dat deze massa direct correspondeert met een immense hoeveelheid energie. Elk deeltje groot en klein vertegenwoordigt een groot energiereservoir, vastgelegd in zijn massa door de werking van het Higgsveld. Deze diepgaande relatie vormt het fundament onder veel verschijnselen in de moderne natuurkunde en laat zien hoe de verschillende energievelden en massa’s in het universum onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn.

De zwaartekrachtvelden

De zwaartekrachtvelden manifesteren zich nadrukkelijk. Daar is aan te meten. Tegelijk is onbekend waaruit deze velden bestaan.

De Higgsvelden

De Higgsvelden geven de materie massa. Die massa creëert de zwaartekrachtvelden.

Het donkere energieveld

Tenslotte is het donkere energieveld oneindig in vier dimensies aanwezig. Het is oneindig aanwezig in de drie bekende dimensies van lengte, breedte en de hoogte maar tegelijk ook oneindig aanwezig in de tijd. Uit dit veld komt op willekeurige plaatsen in de ruimte de energie vrij die het heelal, zoals wij dat kennen, mogelijk maakt.

Piet Vogel