Gravity Probe B bewijst theorie van Einstein

De Amerikaanse satelliet Gravity Probe-B heeft volgens de NASA bewezen dat de algemene relativiteitstheorie klopt. Die theorie stelt dat zwaartekracht ontstaat als een massa de ruimte-tijd verbuigt. En dat blijkt uit metingen van de satelliet, zegt de NASA.
Een voorstelling van de Gravity Probe-B die rond de aarde cirkelt die de ruimte-tijd vervormt door haar massa.

"Einstein overleeft!", zei een geleerde van de Stanford Universiteit  op een persconferentie bij de NASA waar de resultaten bekendgemaakt werden.

Andere geleerden verwelkomden het  nieuws echter met wat neerkwam op slechts een beleefd applausje. Ze wijzen erop dat de peperdure Gravity Probe-B ver af bleef van de nauwkeurigheid die men gehoopt had te bereiken bij de waarnemingen en dat de stellingen van Einstein zes jaar eerder al bewezen waren door twee geleerden, Ignazio Ciufolini en Erricos Pavlis, die gebruik maakten van twee veel goedkopere satellieten, die dan nog voor een ander doel gelanceerd waren.  

Gyroscopen

De Gravity Probe-B cirkelde sinds april 2004 gedurende 17 maanden rond de aarde, van pool tot pool, en gebruikte gyroscopen om twee aspecten te meten van Einsteins theorie van de zwaartekracht of de algemene relativiteitstheorie.

Het ene aspect, het geodetisch effect, ontstaat omdat de massa van de aarde een soort kuil maakt in de ruimte-tijd (zie foto, de kuil ontstaat overigens niet alleen naar beneden zoals op deze voorstelling, maar in alle dimensies), waardoor de gewone regels van de meetkunde niet meer gelden. Daardoor moet de cirkelomtrek van een cirkel rond de aarde een heel klein beetje korter zijn dan de gebruikelijke twee maal straal maal pi. Volgens de theorie van Einstein (kleine foto) zou er een verschil van 2,8 cm moeten zijn en dat heeft de Gravity Probe-B inderdaad gemeten tijdens zijn omwenteling van 40.000 km, tot op 0,25 procent precies.

De satelliet bevestigde ook een tweede aspect, het "frame dragging-effect". Dat ontstaat doordat de ronddraaiende aarde de omringende ruimte-tijd vervormt. De hoofdonderzoeker Francis Everitt van de Universiteit van Stanford legde het als volgt uit: "Het is alsof onze planeet zou ondergedompeld zijn in honing. Terwijl de planeet ronddraait, zal de aarde de honing met zich mee trekken. Op dezelfde manier trekt de aarde de ruimte-tijd met zich mee."

De Gravity Probe-B-satelliet bevestigde het frame dragging effect, dat minder dan een tiende van de sterkte van het geodetisch effect heeft, tot op 19 procent nauwkeurig.

"Niet erg nauwkeurig"

Vooral die laatste meting staat ver af van wat de onderzoekers hadden gehoopt te bereiken. Om de effecten te meten, volgde de Gravity Probe-B de beweging van vier gyroscopen, instrumenten waarbij een vliegwiel, of in dit geval een bolletje, zeer snel om een vrije, beweeglijke as draait. Door de snelle omwenteling blijft de as zo veel mogelijk in dezelfde richting wijzen.De satelliet vergeleek de beweging van de gyroscopen met de richting van een verre ster, IM Pegasi.

Tijdens de omwenteling van de satelliet rond de aarde helden de assen van de gyroscopen lichtjes over van het noorden van het zuiden door het geodetisch effect, het frame dragging-effect bewoog hen een beetje van het oosten naar het westen. De gyroscopen draaien 5.000 keer per minuut rond hun as en zijn wondertjes van techniek. Het zijn bijna perfecte bollen van kwarts, ongeveer zo groot als tafeltennisballetjes, bekleed met een supergeleidende laag niobium (kleine foto). Die laag produceert een magnetisch veld langs de assen dat de geleerden hoopten te gebruiken om het frame dragging effect te meten tot op 1 procent nauwkeurig.

Elektrostatische onvolkomenheden gooiden echter roet in het eten, zodat het slechts tot op 19 procent nauwkeurig werd. De bolletjes zijn de meest volmaakt ronde voorwerpen die ooit gefabriceerd zijn op aarde: als ze vergroot zouden worden tot de grootte van de aarde, zou de hoogste oneffenheid erop slechts 3 meter hoog zijn. In het niobium zaten echter elektrische ladingen vast, - elektrostatische ladingen dus, ladingen die op dezelfde plaats blijven -, die maken dat de gyroscopen "elektrisch veel minder rond" zijn, dat het magnetisch veld niet zo mooi egaal verdeeld is als verwacht. Als de gemeten voltages zouden opgeblazen worden tot de grootte van de aarde, zou dat een landschap geven met bergen zo hoog als de Mount Everest. Bovendien gaf de interactie tussen de ladingen in het niobium en onvolkomenheden in de behuizing van de gyroscopen kleine rukjes aan de gyroscopen.

De geleerden hebben er vijf jaar over gedaan om die systematische fouten weg te werken maar andere geleerden hebben daar hun twijfels over. Zo wees Ignazio Ciufolini, die zoals eerder gezegd de stellingen van Einstein tot zo'n 10 procent nauwkeurig bevestigde, erop dat vijf jaar geleden de foutenmarge van de Gravity Probe-B nog tien keer groter was. "Ik ken de details niet, maar mij lijkt het heel moeilijk om meer dan 90 procent van de systematische fouten weg te werken", zo zei hij.