Eeuwenlang weten wetenschappers dat de zwaartekracht alle objecten in gelijke mate beïnvloedt, ongeacht hun massa of samenstelling. Dit principe, bekend als het zwakke equivalentieprincipe, is een hoeksteen van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Nu bevestigt een baanbrekend experiment dat zelfs antimaterie – een van de meest exotische stoffen in het universum – zich volgens deze regel gedraagt en net als gewone materie naar beneden valt.
De historische context: van Galileo tot Einstein
Het concept van universele zwaartekrachtversnelling dateert uit de experimenten van Galileo, waarin hij aantoonde dat objecten met verschillende gewichten in een vacuüm met dezelfde snelheid vallen. Einstein heeft niet geprobeerd te verklaren waarom de zwaartekracht alles in gelijke mate beïnvloedt; hij nam het eenvoudigweg aan als een fundamentele wet bij het formuleren van zijn algemene relativiteitstheorie. Deze veronderstelling gold tot voor kort voor alle waargenomen materie.
De antimateriepuzzel
Antimaterie, voorspeld door natuurkundige Paul Dirac in de jaren twintig als gevolg van het verzoenen van de kwantummechanica met de speciale relativiteitstheorie, vormt een unieke uitdaging voor dit begrip. De vergelijkingen van Dirac suggereerden dat er voor elk deeltje een tegenhanger bestaat met een tegengestelde lading maar dezelfde massa. Wanneer materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar, waardoor energie vrijkomt. Dit maakt het bestuderen van het zwaartekrachtgedrag van antimaterie ongelooflijk moeilijk.
Het ALPHA-g-experiment bij CERN
Wetenschappers van het ALPHA-g-experiment van CERN hebben deze hindernissen overwonnen door neutrale anti-waterstofatomen te creëren – door antiprotonen te koppelen aan positronen (anti-elektronen). Deze neutrale atomen worden, in tegenstelling tot geladen antimaterie, niet beïnvloed door elektromagnetische krachten. Om antimaterie te isoleren gebruikten onderzoekers een ‘Penning trap’ – een magnetische fles om ze op hun plaats te houden – en koelden ze de antiatomen af tot bijna het absolute nulpunt om beweging te minimaliseren.
De resultaten: antimaterie valt naar beneden
Door het magnetische veld geleidelijk te verzwakken, observeerde het team het gedrag van de gevangen anti-waterstofatomen. Als antimaterie het zwakke equivalentieprincipe had getrotseerd, zou het naar boven kunnen zijn gedreven als gevolg van een onbekende afstoting. In plaats daarvan viel ongeveer 80% van de antiatomen door de bodem van de val en vernietigde ze bij contact met de containerwanden. Dit bevestigt dat antimaterie door de zwaartekracht naar beneden wordt getrokken, net als gewone materie.
Wat dit betekent voor de natuurkunde
Het experiment bewijst niet dat de zwaartekracht en de kwantummechanica het eens zijn : ze spreken nog steeds verschillende talen. Maar het versterkt Einsteins algemene relativiteitstheorie door aan te tonen dat deze zelfs voor antimaterie geldt. De zaak is echter niet geheel gesloten. Onderzoekers hebben nog niet vastgesteld of antimaterie met exact dezelfde versnelling valt als materie. Een klein verschil, zelfs 1%, zou een fundamentele heroverweging van de zwaartekracht vereisen.
Voorlopig blijft het universum consistent: hamers, veren en anti-waterstof vallen allemaal met dezelfde snelheid. Dit is geen revolutie in de natuurkunde, maar een geruststellende bevestiging dat het universum zich gedraagt zoals we verwachten.
