De zwaartekrachtconstante G bepaalt de sterkte van de zwaartekracht - de kracht die ervoor zorgt dat appels op de grond vallen of de aarde in haar baan rond de zon trekt. Het maakt deel uit van Isaac Newtons wet van universele zwaartekracht, die hij meer dan 300 jaar geleden voor het eerst formuleerde. De constante kan niet wiskundig worden afgeleid; het moet door middel van experiment worden bepaald.

Door de eeuwen heen hebben wetenschappers talloze experimenten uitgevoerd om de waarde van G te bepalen, maar de wetenschappelijke gemeenschap is niet tevreden met het huidige cijfer. Het is nog steeds minder nauwkeurig dan de waarden van alle andere fundamentele natuurlijke constanten, bijvoorbeeld de lichtsnelheid in een vacuüm.

Een van de redenen waarom zwaartekracht extreem moeilijk te kwantificeren is, is dat het een zeer zwakke kracht is en niet kan worden geïsoleerd:als je de zwaartekracht tussen twee lichamen meet, meet je ook het effect van alle andere lichamen in de wereld.

"De enige optie om deze situatie op te lossen is om de zwaartekrachtconstante met zoveel mogelijk verschillende methoden te meten", legt Jürg Dual uit, een professor in de afdeling Werktuigbouwkunde en Procestechniek aan de ETH Zürich. Hij en zijn collega's voerden een nieuw experiment uit om de zwaartekrachtconstante opnieuw te bepalen en hebben hun werk nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Physics .

Een nieuw experiment in een oud fort

Om storingsbronnen zoveel mogelijk uit te sluiten, heeft het team van Dual hun meetapparatuur opgesteld in wat vroeger fort Furggels was, gelegen nabij Pfäfers boven Bad Ragaz, Zwitserland. De experimentele opstelling bestaat uit twee balken opgehangen in vacuümkamers. Nadat de onderzoekers er een in trilling hadden gebracht, zorgde zwaartekrachtkoppeling ervoor dat de tweede straal ook minimale beweging vertoonde (in het picometerbereik - d.w.z. een biljoenste van een meter). Met behulp van laserapparatuur heeft het team de beweging van de twee stralen gemeten en door het meten van dit dynamische effect konden ze de grootte van de zwaartekrachtconstante afleiden.

De waarde die de onderzoekers met deze methode hebben bereikt, is 2,2 procent hoger dan de huidige officiële waarde die de Commissie Data for Science and Technology geeft. Dual erkent echter dat de nieuwe waarde met veel onzekerheid gepaard gaat:"Om een ​​betrouwbare waarde te krijgen, moeten we deze onzekerheid nog aanzienlijk verminderen. We zijn al bezig met metingen met een licht gewijzigde experimentele opstelling zodat we de constante G met nog grotere precisie kunnen bepalen." De eerste resultaten zijn beschikbaar, maar zijn nog niet gepubliceerd. Toch bevestigt Dual dat "we op de goede weg zijn".

De onderzoekers voeren het experiment op afstand uit vanuit Zürich, waardoor verstoringen van het aanwezige personeel op het terrein tot een minimum worden beperkt. Het team kan de meetgegevens op elk gewenst moment in realtime bekijken.

Inzicht in de geschiedenis van het heelal

Voor Dual is het voordeel van de nieuwe methode dat het de zwaartekracht dynamisch meet via de bewegende bundels. "Bij dynamische metingen, in tegenstelling tot statische metingen, maakt het niet uit dat het onmogelijk is om het zwaartekrachteffect van andere lichamen te isoleren", zegt hij. Daarom hoopt hij dat hij en zijn team het experiment kunnen gebruiken om het zwaartekracht-raadsel op te lossen. De wetenschap heeft deze natuurlijke kracht of de experimenten die ermee verband houden nog steeds niet volledig begrepen.

Een beter begrip van de zwaartekracht zou ons bijvoorbeeld in staat stellen om zwaartekrachtsgolfsignalen beter te interpreteren. Dergelijke golven werden in 2015 voor het eerst gedetecteerd bij de LIGO-observatoria in de VS. Ze waren het resultaat van twee in een baan rond de aarde draaiende zwarte gaten die op een afstand van ongeveer 1,3 miljard lichtjaar van de aarde waren samengesmolten. Sindsdien hebben wetenschappers tientallen van dergelijke gebeurtenissen gedocumenteerd; als ze in detail zouden kunnen worden getraceerd, zouden ze nieuwe inzichten in het universum en zijn geschiedenis onthullen.

Een carrière-bekroning

Dual begon in 1991 te werken aan methoden om de zwaartekrachtconstante te meten, maar had zijn werk op een gegeven moment stilgelegd. De waarneming van zwaartekrachtsgolven bij LIGO gaf het echter een nieuwe impuls en in 2018 hervatte hij zijn onderzoek. In 2019 richtte het projectteam het laboratorium op in fort Furggels en startte met nieuwe experimenten. Naast de wetenschappers van de groep van Dual en een hoogleraar statistiek, was er bij het project ook infrastructuurpersoneel betrokken, zoals cleanroomspecialisten, een elektrotechnisch ingenieur en een monteur. "Dit experiment had niet tot stand kunnen komen zonder jarenlange teaminspanning", zegt Dual.

Dual wordt eind juli dit jaar emeritus hoogleraar en heeft zijn afscheidscollege al gegeven. "Een geslaagd experiment is een mooie manier om mijn carrière te beëindigen", zegt hij. + Verder verkennen

Gravitatiegolf-spiegelexperimenten kunnen evolueren naar kwantumentiteiten