Onderzoekers van de Universiteit van Wenen en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, onder leiding van Markus Aspelmeyer zijn erin geslaagd het zwaartekrachtsveld van een gouden bol te meten, slechts 2 mm in diameter, met behulp van een zeer gevoelige slinger - en dus de kleinste zwaartekracht. Het experiment opent nieuwe mogelijkheden voor het testen van de wetten van de zwaartekracht op voorheen onbereikte kleine schalen. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Zwaartekracht is de zwakste van alle bekende krachten in de natuur - en toch is ze het sterkst aanwezig in ons dagelijks leven. Elke bal die we gooien, elke munt die we laten vallen - alle objecten worden aangetrokken door de zwaartekracht van de aarde. In een vacuüm, alle objecten in de buurt van het aardoppervlak vallen met dezelfde versnelling:hun snelheid neemt elke seconde met ongeveer 9,8 m/s toe. De zwaartekracht wordt bepaald door de massa van de aarde en de afstand tot het middelpunt. Op de maan, die ongeveer 80 keer lichter en bijna 4 keer kleiner is dan de aarde, alle objecten vallen 6 keer langzamer. En op een planeet ter grootte van een lieveheersbeestje? Objecten zouden daar 30 miljard keer langzamer vallen dan op aarde. Zwaartekrachtkrachten van deze omvang komen normaal gesproken alleen voor in de meest afgelegen gebieden van sterrenstelsels om verre sterren te vangen.

Een team van kwantumfysici onder leiding van Markus Aspelmeyer en Tobias Westphal van de Universiteit van Wenen en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen heeft deze krachten nu voor het eerst in het laboratorium aangetoond. Om dit te doen, de onderzoekers putten uit een beroemd experiment van Henry Cavendish aan het einde van de 18e eeuw.

In de tijd van Isaac Newton, men geloofde dat de zwaartekracht was gereserveerd voor astronomische objecten zoals planeten. Pas in het werk van Cavendish (en Nevil Maskelyne voor hem) kon worden aangetoond dat objecten op aarde ook hun eigen zwaartekracht genereren. Met behulp van een elegant slingerapparaat, Cavendish slaagde erin de zwaartekracht te meten die in 1797 werd gegenereerd door een loden bal van 30 cm hoog en 160 kg. door de zwaartekracht van de loden massa. In de komende eeuwen zullen deze experimenten werden verder geperfectioneerd om zwaartekrachten met toenemende nauwkeurigheid te meten.

Het team van Wenen heeft dit idee opgepikt en een miniatuurversie van het Cavendish-experiment gebouwd. Een gouden bol van 2 mm met een gewicht van 90 mg dient als zwaartekracht. De torsieslinger bestaat uit een glazen staaf van 4 cm lang en een halve millimeter dik, opgehangen aan een glasvezel met een diameter van enkele duizendsten van een millimeter. Aan elk uiteinde van de staaf zijn gouden bollen van vergelijkbare grootte bevestigd. "We bewegen de gouden bol heen en weer, het creëren van een zwaartekrachtveld dat in de loop van de tijd verandert, " legt Jeremias Pfaff uit, een van de bij het experiment betrokken onderzoekers. "Dit zorgt ervoor dat de torsieslinger oscilleert met die specifieke excitatiefrequentie."

De beweging, dat is slechts een paar miljoenste van een millimeter, kan dan met behulp van een laser worden uitgelezen en maakt het mogelijk conclusies te trekken over de kracht. De moeilijkheid is om andere invloeden op de beweging zo klein mogelijk te houden. "Het grootste niet-zwaartekrachteffect in ons experiment komt van seismische trillingen die worden gegenereerd door voetgangers en tramverkeer rond ons laboratorium in Wenen, " zegt co-auteur Hans Hepach:"We hebben daarom 's nachts en tijdens de kerstvakantie de beste meetgegevens verkregen, toen er weinig verkeer was." Andere effecten zoals elektrostatische krachten konden worden teruggebracht tot niveaus ver onder de zwaartekracht door een geleidend schild tussen de goudmassa's.

Dit maakte het voor het eerst mogelijk om het zwaartekrachtsveld te bepalen van een object dat ongeveer de massa van een lieveheersbeestje heeft. Als volgende stap, het is de bedoeling om de zwaartekracht te onderzoeken van massa's die duizenden malen lichter zijn.

De mogelijkheid om gravitatievelden van kleine massa's en op kleine afstanden te meten opent nieuwe perspectieven voor onderzoek in gravitatiefysica; sporen van donkere materie of donkere energie konden worden gevonden in het gedrag van de zwaartekracht, die verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de vorming van ons huidige universum. De onderzoekers van Aspelmeyer zijn vooral geïnteresseerd in het raakvlak met de kwantumfysica:kan de massa klein genoeg worden gemaakt om kwantumeffecten een rol te laten spelen? De tijd zal het leren. Voor nu, de fascinatie voor Einsteins zwaartekrachttheorie heerst nog steeds. "Volgens Einstein de zwaartekracht is een gevolg van het feit dat massa's ruimtetijd buigen waarin andere massa's bewegen, "zegt eerste auteur Tobias Westphal. "Dus wat we hier eigenlijk meten, is hoe een lieveheersbeestje de ruimte-tijd vervormt."