Tussen sterren, planeten en kometen speelt de zwaartekracht een grote rol. Maar op kleine schaal is deze kracht bijna onmeetbaar zwak. Met een uiterst precieze ‘zwaartekrachtsensor’ hebben Japanse onderzoekers het zwaartekrachtveld weten te meten van objecten van een paar milligram.
Het gaat in het experiment niet om de zwaartekracht waarmee de aarde ‘trekt’ aan een object. Wetenschappers van de Tohoku-universiteit in Japan keken hoe twee kleine (ongeladen) voorwerpen elkaar aantrekken door de zwaartekracht die ze op elkaar uitoefenen.
Het zwaartekrachtveld meten bij objecten die kleiner en lichter zijn dan een komeet is lastig. Tot nu stond het record op 100 gram – het gewicht van een banaan. De onderzoekers onder leiding van Nobuyuki Matsumoto verbeterden dat record met een factor duizend. Zij maten ze zwaartekracht tussen een spiegeltje van 7 milligram en een object van 100 milligram. Gekke quantumeffecten zagen ze niet. De zwaartekracht gedroeg zich keurig volgens het boekje.
Slappe kracht
Zwaartekracht is een ontzettend slappe kracht. De aantrekkingskracht van een koelkastmagneet is al genoeg om de zwaartekracht van de volledige aardbol op een paperclip op te heffen.
Toch willen natuurkundigen die zwakke kracht tussen kleine voorwerpen graag beter begrijpen. Het is namelijk een manier om de ongrijpbare quantumzwaartekracht te bestuderen. Die theorie beschrijft de allerkleinste schaal waar zwaartekracht en quantummechanica samenkomen. Over het verenigen van die twee giganten uit de natuurkunde is nog veel onbekend.
Zwaartekrachtslinger
De opstelling van de Japanse onderzoekers bestaat uit een spiegeltje van 7 milligram dat aan een dun silica draadje hangt. Het ronde spiegeltje heeft een diameter van 3 millimeter en een dikte van een halve millimeter. De onderzoekers brengen dit piepkleine slingertje in beweging. Daardoor beweegt het met een vaste frequentie heen en weer. Naast de slinger staat een object van 100 milligram. Door dat te verplaatsen kan het effect van de zwaartekracht tussen de slinger en het object gemeten worden. De variërende aantrekkende kracht van het object beïnvloedt de beweging van de spiegel. Daardoor wijkt het pad van de slinger een paar millimeter af van de normale beweging.
De beweging van het slingertje wordt gemeten door met een laser op het spiegeltje te schijnen. Door te kijken hoe lang dat licht erover doet om heen en weer te kaatsen, meet je de afstand en de beweging. Deze techniek is vergelijkbaar met de methode waarmee detectoren zwaartekrachtgolven meten.
Trillingsvrij en koud
Omdat de zwaartekracht die zo’n klein voorwerp op andere voorwerpen uitoefent ontzettend zwak is, moeten de onderzoekers voorkomen dat omgevingsfactoren de meting beïnvloeden. De opstelling staat daarom op een trillingsvrij, loshangend oppervlak in een vacuüm vat. Zo kunnen trillingen van de grond en botsende luchtdeeltjes het experiment niet verstoren. Ook werd alles afgekoeld tot ongeveer -273°C om trillingen door warmte te voorkomen. Ten slotte ontwikkelden ze een methode om te corrigeren voor andere verstoringen, bijvoorbeeld door de laser.
De milligram-objecten zijn nog te zwaar om het quantumdomein te bestuderen. Maar de nieuwe techniek is veelbelovend. Van 100 gram naar 100 milligram is een flinke stap in de richting van de quantumzwaartekracht.
