De zwaartekracht of gravitatiekracht is een aantrekkende kracht die twee massa's op elkaar uitoefenen. De zwaartekracht is één van de vier fundamentele natuurkrachten en is er de oorzaak van dat alles op aarde een neerwaartse kracht ondervindt. De zwaartekracht werkt ook op grote afstand, bijvoorbeeld tussen de aarde en de maan en tussen sterrenstelsels. De zwaartekracht, die verantwoordelijk is voor het vallen van bijvoorbeeld een appel, zorgt er eveneens voor dat de maan of een satelliet in een baan om de aarde blijft en dat de aarde in een baan om de zon blijft.
Inhoud |
De zwaartekracht wordt beschreven door de gravitatiewet van Newton (zie hieronder). Een zwaartekrachtveld kan worden beschreven als een vectorveld. Elk object met massa heeft in dit veld een zwaartekrachtpotentiaal.
De gravitatiewet van Newton is het eenvoudigst voor puntmassa's, maar is door Newton geformuleerd voor bolvormige lichamen. Bij de aarde moeten we ermee rekening houden dat deze van binnen niet homogeen is (de massa is niet overal gelijkmatig verspreid). Daardoor is de zwaartekracht op sommige plaatsen op aarde (bijvoorbeeld bij gebergtes) iets groter dan op andere.
Daarnaast zorgt de rotatie van de aarde om haar as ervoor dat op voorwerpen op aarde naast de zwaartekracht ook een middelpuntvliedende kracht werkt. Hoe verder van de aardas af, hoe groter deze middelpuntvliedende kracht. Op de evenaar is deze kracht het grootst, aan de polen is ze nul. Het totaal van de zwaartekracht met deze middelpuntvliedende kracht is daarom op hogere breedtegraden groter.
Ten derde is de vorm van de aarde heel licht afgeplat. De aarde heeft de vorm van een sferoïde, zodat men zich op de polen iets dichter bij het centrum van de aarde bevindt, wat de zwaartekracht daar iets groter maakt.
Uit de oudheid is niet veel bekend over onderzoek naar de zwaartekracht; de Griekse filosofen spraken er soms over. Zo meende Aristoteles dat alles naar beneden valt omdat het midden van de aarde de "natuurlijke plaats" van de materie is in de zogenaamde ladder der natuur.
Tijdens de Wetenschappelijke Revolutie was Galileo Galilei de eerste die de zwaartekracht onderzocht door middel van waarnemingen aan banen van hemellichamen en valproeven op aarde.
Isaac Newton heeft de aard van de zwaartekracht in de kosmologie als eerste ingezien. Of Newton hierbij inderdaad een appel op zijn hoofd kreeg toen hij een dutje deed in een boomgaard, is twijfelachtig. Het baanbrekende karakter van zijn theorie zat hem vooral in het toepassen van eenzelfde wet voor aardse situaties, bijv. een appel die van een boom valt, en hemellichamen. Newton verklaarde met zijn zwaartekrachtwet de banen van planeten, die Nicolaus Copernicus, Johannes Kepler en Tycho Brahe hadden beschreven maar niet hadden verklaard. In elk geval realiseerde hij zich dat de maan aantrekkingskracht van de aarde ondervindt, maar dat die in evenwicht wordt gehouden door middelpuntvliedende kracht. Getijdenbeweging kon hij verklaren uit de aantrekkingskracht van de maan.
Een ander voorbeeld van Newton is de kanonskogel. Een kanonskogel die met voldoende grote snelheid wordt weggeschoten, zou theoretisch ook in een baan om de aarde gaan vliegen (of nooit meer terugkomen, zie ontsnappingssnelheid). Overigens is het nauwkeuriger te zeggen dat aarde en maan beide om een gemeenschappelijk punt heen bewegen.
In het begin van de twintigste eeuw is de theorie van de zwaartekracht drastisch bijgesteld door Albert Einstein. Zijn algemene relativiteitstheorie (1915) geeft een beschrijving van de tot dan toe onverklaarbare precessie in het baanvlak van de planeet Mercurius (zie Vulcanus) en voorspelt ook correct nieuwe verschijnselen die tot dan toe volstrekt ondenkbaar waren, zoals de toename van de massa van een deeltje als het de lichtsnelheid nadert, of de afbuiging van lichtstralen in een zwaartekrachtveld, wat tot uiting komt bij een zwaartekrachtlens om een sterrennevel of een Einsteinring rondom een ster. Dit werd voor het eerst waargenomen aan een ster bij een zonsverduistering. Ook verklaart de theorie waarom massa twee aspecten heeft: traagheid (verzet tegen snelheidsverandering) en gravitatie (het veroorzaken van de zwaartekracht). Bovendien is het mogelijk er modellen mee op te stellen voor de evolutie van het heelal.
De door Newton in 1687 (in zijn "Principia Mathematica") gepubliceerde gravitatiewet luidt als volgt:
waarin:
De kleine waarde van de gravitatieconstante verklaart waarom er onder kleine massa, bijv. alle voorwerpen in het dagelijks leven geen aantrekkingskracht wordt waargenomen. Het zou na de formulering door Newton in 1687 nog 111 jaar duren voordat Henry Cavendish een betrouwbare meting onder aardse omstandigheden verrichtte.
De zwaartekracht F doet een voorwerp met massa m op de aarde vallen met een versnelling g, gegeven door de Tweede Wet van Newton voor een constante massa:
(Voor de valversnelling van de zwaartekracht op aarde wordt het speciale symbool g gebruikt in plaats van de algemene aanduiding van een versnelling (acceleratie) a.)
Hieruit volgt voor de valversnelling g aan het oppervlak van de aarde:
= 9,81 m/s2 (in Nederland en België);hierin is M de massa van de aarde (in kg) en R de aardstraal (in m). Uit meting van G, R en g volgt dus de massa M van de aarde en zo ook de gemiddelde dichtheid ervan.
Het grote verschil tussen Einsteins theorie en Newtons theorie is:
Newton dacht dat de zwaartekracht direct, zonder vertraging van invloed is. Uit Einsteins algemene relativiteitstheorie volgt daarentegen dat zwaartekrachtvelden zich voortplanten met de lichtsnelheid.
Dat de theorie van Einstein overeenkomt met de werkelijkheid, is al vaak gebleken, maar op 7 januari 2003 is de snelheid van het zwaartekrachtveld voor het eerst (indirect) gemeten door Ed Fomalont en Sergei Kopeikin. Met behulp van de planeet Jupiter hebben zij deze metingen verricht. Op 8 september 2002 stond Jupiter namelijk aan de hemel zeer dicht bij een quasar, die heldere radiogolven uitzendt. Fomalont en Kopeikin combineerden metingen van een aantal radiotelescopen verspreid over de aarde. Hiermee konden ze de schijnbare verplaatsing van de quasar als gevolg van het zwaartekrachtveld van Jupiter bepalen. Uit deze gegevens konden zij berekenen dat het zwaartekrachtveld 1.06 ±0.21 keer zo snel beweegt als het licht; hieruit kan dus geen verschil tussen de twee snelheden worden gezien. De resultaten zijn controversieel: er zijn andere wetenschappers die zeggen dat de metingen niets met de snelheid van het zwaartekrachtveld te maken hebben.
De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er ook zwaartekrachtsgolven bestaan. Deze kunnen bijvoorbeeld optreden bij een grote explosie in het heelal. Zwaartekrachtsgolven zijn naar verwachting transversaal, al voorspellen sommige theorieën daarnaast ook longitudinale golven. Indien zwaartekrachtsgolven kunnen optreden bij grote explosies in het heelal dan vertaalt zich dat in een tijdelijke ruimtevermeerdering, die waargenomen kan worden door tijdelijke grotere spectrale roodverschuivingen. Omgekeerd krijg je bij implosies ruimtevermindering, wat zich vertaalt in spectrale blauwverschuiving.
Aan de universiteit van Leiden wordt in het Kamerlingh Onnes Laboratorium gewerkt aan een uiterst gevoelige bolvormige antenne die zwaartekrachtsgolven kan waarnemen. De naam van het project is MiniGrail. Deze antenne is zo gevoelig, dat trillingen met een uitwijking van ongeveer 10-20 meter kunnen worden gedetecteerd.
Vóór Einstein meenden veel natuurkundigen dat er ook anti-zwaartekracht mogelijk was. Met Einsteins theorie verviel hiervoor de noodzaak, omdat er geen tegenhanger voorstelbaar is voor een 'anti' tijd-ruimtecontinuum vervorming. Maar bij recente metingen aan de kosmische achtergrondstraling is gebleken dat er misschien toch een soort uitdijende kracht in het universum werkzaam is, die de zwaartekracht tegenwerkt. Deze uitdijende kracht is door Einstein de kosmologische constante genoemd en zou veroorzaakt worden door donkere energie.
