Ultranauwkeurige versnellingsmeters in de ruimte hebben aangetoond dat twee massa’s van verschillende samenstelling dezelfde zwaartekracht ondervinden. Dit bevestigt het equivalentieprincipe van Einstein.
De meetgegevens zijn afkomstig van de satelliet Microscope die vorig jaar werd gelanceerd. Deze satelliet van het Franse ruimtevaartinstituut CNES is uitgerust met twee versnellingsmeters die de zwaartekrachtversnelling van twee sets van concentrische cilinders uiterst nauwkeurig kunnen meten. De cilinders verschillen alleen in hun samenstelling. De ene set bestaat uit twee concentrische cilinders van een platina-rhodiumlegering, de andere heeft een binnenste cilinder van hetzelfde materiaal, maar hier is de buitenste van een titanium-vanadium-aluminium-legering. Er is voor de concentrische opbouw gekozen om verstorende invloeden zo veel mogelijk buiten te sluiten: in beide dient de binnenste cilinder als referentie, de meting richt zich uiteindelijk op de buitenste cilinder.
Elektrisch veld
De beide massa’s ondervinden de zwaartekracht van de aarde en worden ten opzichte van de satelliet op hun plaats gehouden met een elektrisch veld. De elektrische kracht die daarvoor nodig is, levert zo een maat voor de zwaartekrachtversnelling die beide cilinders ondervinden.
De satelliet draait rond de aarde op een hoogte van 710 km, waar de zwaartekracht 7,9 m/s2 is (op het aardoppervlak in Nederland is die 9,81 m/s2 ). De Microscope-satelliet is zo ontworpen dat hij een verschil in de versnelling van beide testmassa’s met een nauwkeurigheid van 10-15 moet kunnen meten.
De eerste resultaten, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters, zijn verkregen nadat de satelliet 62 meetrondjes rond de aarde heeft gedraaid. De versnelling die beide testmassa’s ondervinden, blijkt met een afwijking van op 4.10-15 gelijk. De onderzoekers verwachten dat ze komend jaar met verdere verwerking van data en nog ruim duizend meetrondes van de satelliet rond de aardede beoogde nauwkeurigheid van 1.10-15 kunnen bereiken.
Nieuwe zwaartekrachttheorieën
Het meetprogramma is opgezet om het zogeheten equivalentsprincipe van Einstein te testen. Dat principe kent verschillende uitwerkingen. De ene zegt er geen verschil is tussen de zwaartekracht in een stilstaand coördinatenstelsel of een versneld stelsel. De andere stelt dat een gelijke massa onafhankelijk van zijn samenstelling altijd dezelfde zwaartekracht zal ondervinden, een principe dat al door Galileo werd beschreven, en Einstein met zijn relativiteitstheorie kon bewijzen. Het principe is bekend van de proef van een donsveertje en een kogel: in vacuüm ondervinden beide dezelfde zwaartekrachtversnelling.
Verificatie van dat principe is van belang voor het toetsen van nieuwe zwaartekrachttheorieën waar theoretische fysici aan werken. Zij weten nu dat het equivalentsprincipe van Einstein voorlopig nog recht overeind staat, en dat ze dat dus in hun theorieën moeten respecteren. Voor het ultieme bewijs is een nauwkeurigheid van 10-18 nodig, maar dat kan alleen worden bereikt met toekomstige satellietprogramma's.
Openingsfoto: de Microscope satelliet. Foto CNES.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.