Het is overal en altijd aanwezig, maar je ziet het niet. Het is een fenomeen waar we dagelijks mee geconfronteerd worden, maar we staan er bijna nooit bij stil. Dat is natuurlijk de zwaartekracht. Het houdt ons niet enkel op de aarde, het zorgt er ook voor dat onze aarde kan bestaan. Met de zwaartekracht kan (in zekere mate) de baan van elke planeet beschreven worden. Daarvoor zijn complexe berekeningen nodig, maar wie nam het op zich om als pionier deze ‘kracht’ te omschrijven? Het antwoord is: Isaac Newton. Zijn wetten zijn indrukwekkend, maar is het wel helemaal juist?
Als je hedendaagse academici vraagt wie zij beschouwen als de meest invloedrijke wetenschapper aller tijden, krijg je vaak de naam Isaac Newton te horen. Dat is dan een zeer degelijk antwoord, als men kijkt naar de gigantische lijst aan theorieën die Newton bijgedragen heeft aan de wetenschap. Als student kom je zijn naam zo vaak tegen dat het lijkt alsof hij meerdere levens geleefd heeft. Niet enkel formuleerde hij een wiskundige beschrijving van zwaartekracht, maar hij was zowaar een geleerde die zich thuis voelde bij ontelbaar andere disciplines. Hij bouwde de eerste praktische reflectie telescoop en aansluitend droeg hij immens veel bij aan optica. Hij formuleerde de ‘theorie der kleuren’, gebaseerd op observaties van een prisma dat wit licht kan opsplitsen in een spectrum (beter bekend als een regenboog). Newton toonde hiermee aan dat refractor telescopen altijd onderhevig zullen zijn aan chromatische aberraties*, waarbij licht dat door lenzen passeert opgesplitst wordt en ‘wazige’ afbeeldingen tot gevolg heeft.
Daarnaast formuleerde hij in 1687 met financiële steun van Edmond Halley dé drie universele wetten van beweging. Samen beschrijven deze wetten de interactie tussen objecten, de krachten die inspelen en de resulterende bewegingen. Dit wordt vaak beschouwd als de oorsprong van de klassieke mechanica.
Newton was daar bovenop ook een gerenommeerd wiskundige. Zo bedacht hij een methode om iteratief en numeriek de nulpunten van een functie te vinden. Deze methode staat nu bekend als de Newton-Raphson methode en is essentieel voor vele hedendaagse toepassingen zoals bijvoorbeeld plastische vervorming. Een nog grotere bijdrage aan de wiskunde is dat hij feitelijk een eigen vorm van calculus had ontworpen. Nochtans leert de geschiedenis ons dat Newton zijn calculus uitgevonden had omwille van een uitdaging. Een vriend zou hem gevraagd hebben: waarom zijn de banen van de planeten ellipsvormig? Hierop had Newton niet meteen een antwoord, maar was vastberaden om een antwoord te vinden. Enkele maanden later sprak hij terug af met zijn vriend en leverde een nauwkeurig antwoord, waarvoor hij enkel een nieuwe tak van de wiskunde over differentialen en integralen (calculus) moest uitvinden. Dit alles bereikte Newton nog vóór hij 26 werd.
Newton kon alles beschrijven wat hij in zijn wereld zag. Het snelst bewegende object was voor hem een galopperend paard. Met zijn fundamentele bewegings- en zwaartekrachtwetten kon hij alles rondom zich nauwkeurig verklaren.
Maar toen Uranus (per ongeluk) ontdekt werd door William Herschel, bleek dat de wetten van Newton niet voldoende waren om zijn baan rond de zon te beschrijven en verschenen er onverklaarbare afwijkingen. Is er een limiet op de afstand waarop Newtons wetten stand houden? Astronomen kwamen op het idee om deze afwijkingen toe te kennen aan een onbekende massa. Een nieuwe planeet, verder dan Uranus. Ze berekenden waar deze zich zou moeten bevinden en na slechts enkele observaties vonden ze wel degelijk de dader: Neptunus, de 8ste planeet.
De metingen werden beter en beter doorheen de tijd. Het werd nu vastgesteld dat de wetten van Newton soms faalden. Astronomen voelden zich nu dapper genoeg om een nieuw raadsel aan te pakken: de vreemde baan die Mercurius maakt rond de zon. Naar analogie met het raadsel van de baan van Uranus, werd er aangenomen dat de schuld weer op een onbekende planeet gestoken kon worden. Er werd volop gezocht naar de planeet genaamd Vulcanus (vernoemd naar de smid van de goden volgens Romeinse mythologie), die zich nog tussen Mercurius en de zon moest bevinden. De intense gloed van de zon zou het vinden van Vulcanus bemoeilijken. Na enige tijd begonnen vele astronomen te twijfelen aan de wetten van Newton.
Eén van hen zou de geschiedenis ingaan als ongetwijfeld de meest beroemde wetenschapper ooit, namelijk niemand minder dan Albert Einstein. Hij veroorzaakte een immense schok met een geheel nieuwe theorie over massa’s en bewegingen. Het Duitse genie scheen nieuw licht op zwaartekracht, wat nu beter gravitatie genoemd kan worden. Einstein formuleerde dat elk object het weefsel van ruimte en tijd doet krommen. Dit resulteert in een soort put waarin andere objecten en zelfs lichtstralen kunnen vallen. Denk aan de zon als een bowlingbal op een gespannen laken. Er vormt zich een indrukking waarrond andere balletjes kunnen draaien. Deze wet van Einstein staat beter bekend als de algemene relativiteitswet. Zwaartekracht is volgens deze theorie enkel een schijnbaar resultaat en bestaat feitelijk niet zoals wij hem kennen. De reden waarom massa’s tot elkaar aangetrokken worden wordt niet veroorzaakt door een kracht, maar door de kromming van de ruimtetijd zelf.
Deze nieuwe redenering zorgt voor een geheel nieuw perspectief van de wereld rondom ons. Als voorbeeld kunnen we een appel beschouwen die nog aan een tak hangt. Volgens Newton werken er twee krachten op de appel, namelijk de zwaartekracht (naar onder gericht) en de trekkracht (naar boven gericht) in de tak, zoals getoond op onderstaande afbeelding. Als je de positie van de appel bekijkt naarmate de tijd vordert, krijg je een wereldlijn. Aangezien de appel nog niet beweegt, is dit nog de ‘hangende’ wereldlijn. Zodra de appel van de tak afbreekt, zal deze versnellen naar de grond met 9,81 meter per seconde kwadraat. Er is geen kracht meer die de appel tegenhoudt om te vallen en dus legt deze een traject af dat ook wel de ‘vallende’ wereldlijn genoemd kan worden.
Als we dezelfde situatie beschouwen volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein, krijgen we een heel andere verklaring voor het vallen van de appel. Er is nergens een zwaartekracht te herkennen, aangezien er enkel een kracht naar boven gericht is als de appel nog aan de tak hangt. Een belangrijk inzicht is dat het vlak van ruimte en tijd gekromd is, waardoor de ‘hangende’ wereldlijn zelf al gekromd is. Zodra de appel afbreekt, zal het traject van de appel overgaan in de ‘vallende’ wereldlijn. Algemene relativiteit vertelt ons dat deze ‘vallende’ wereldlijn gewoon een rechte lijn is. Een object (hier de appel) bevindt zich in een evenwicht als er geen krachten op dit object werken. Het is de ruimte zelf die ‘weg begint te buigen’ van het object, waardoor het lijkt alsof de appel valt. Op het eerste zicht lijkt dit in te gaan tegen de intuïtie, want we zien die kromming veroorzaakt door de aarde uiteraard niet. Dit verhaal van de wereldlijnen stelt nog een ander begrip in twijfel: wat is nu precies omlaag? Aangezien het de ruimtetijd is die weg buigt, verliest de richting die wij als omlaag beschouwen zijn betekenis. Omlaag is een relatief begrip en verandert soms van richting, maar omlaag brengt ons altijd naar een trager lopende tijd. Dit kan je zien als je naar de gekromde lijnen van ruimte tijd kijkt bij Einsteins model. De kromming van tijd neemt af als je omlaag gaat.
Deze revolutionaire nieuwe manier om het vallen van voorwerpen te verklaren heeft ons veel bijgeleerd over ons universum. Zo kunnen wetenschappers nu ook aan de hand van Einsteins theorie het gedrag rond zwarte gaten beter beschrijven dan ooit.
Het leert ons ook een les over wetenschappelijke theorieën in het algemeen. Als je een resultaat hebt dat experimenteel werd aangetoond en dit resultaat wordt geverifieerd en daarna nogmaals gecheckt, dan zal deze theorie later nooit als fout bestempeld worden. Wat wél gevonden kan worden, is een dieper begrip van de wereld. De oude theorie wordt niet geschrapt, maar wordt ingesloten in de nieuwe theorie. Bij het invullen van lage snelheden en lage zwaartekracht in de vergelijkingen van Einstein, komt men gewoon uit bij de vergelijkingen die Newton 300 jaar eerder had geformuleerd. Hoe dan ook, er zijn recente observaties van bijvoorbeeld binnen in zwarte gaten die niet overeenkomen met de relativiteitstheorie van Einstein. Is ook zijn verklaring onvoldoende? Er is een immens front van wetenschappers die op zoek zijn naar een nog meer omvattende theorie (zoals bijvoorbeeld de String theory). Newton stond dus lange tijd op het podium met zijn beschrijving over zwaartekracht, maar op een gegeven moment was het duidelijk dat deze benadering begon te ontrafelen aan de uiteinden, waarop Einstein een completere versie aanbood.
Bronnen:
https://www.youtube.com/watch?v=DdC0QN6f3G4
https://www.history.com/news/9-things-you-may-not-know-about-isaac-newton
0 reacties