Einsteins algemene relativiteitstheorie kan in slechts 12 woorden worden samengevat: “Ruimte-tijd vertelt materie hoe te bewegen; materie vertelt ruimte-tijd hoe te krommen”.

Maar deze korte beschrijving van de natuurkundige John Wheeler verbergt een complexere en diepgaandere waarheid. Naast de kwantumtheorie is de algemene relativiteit een van de twee pijlers van de moderne natuurkunde – onze werktheorie van de zwaartekracht en van het zeer grote, van planeten, melkwegstelsels en het heelal in zijn geheel. Het is een uitbreiding van Einsteins speciale relativiteitstheorie – maar zo’n enorme dat het hem tien jaar kostte, van 1905 tot 1915, om van de een naar de ander te komen.

De speciale relativiteit vertelt ons dat beweging ruimte en tijd vervormt. Einstein’s belangrijkste zet met de algemene relativiteit was om dat te combineren met een principe dat meer dan drie eeuwen eerder door Galileo was opgemerkt: dat vallende voorwerpen versnellen met dezelfde snelheid, ongeacht hun massa. Beroemd is dat een veer en een hamer die van de Scheve Toren van Pisa vallen op hetzelfde moment de grond raken, als je de luchtweerstand buiten beschouwing laat. (Tijdens de maanlanding van de Apollo 15 in 1971 bevestigde astronaut David Scott dit principe op de luchtloze maan.)

Na Galileo toonde Isaac Newton aan dat dit alleen waar kon zijn als een merkwaardig toeval gold: de traagheidsmassa, die de weerstand van een lichaam tegen versnelling kwantificeert, moet altijd gelijk zijn aan de gravitatiemassa, die de reactie van een lichaam op de zwaartekracht kwantificeert. Er is geen duidelijke reden waarom dit zo zou zijn, en toch heeft geen enkel experiment deze twee grootheden ooit uit elkaar kunnen houden.

Op dezelfde manier als hij de constante snelheid van het licht had gebruikt om de speciale relativiteitstheorie te construeren, verklaarde Einstein dit tot een beginsel van de natuur: het equivalentiebeginsel. Gewapend met dit en een nieuwe opvatting van ruimte en tijd als een met elkaar verweven “ruimte-tijd”, kun je een beeld construeren waarin zwaartekracht slechts een vorm van versnelling is. Massieve objecten buigen de ruimte-tijd om zich heen, waardoor dingen naar hen toe lijken te versnellen.

Dat verklaart waarom wij een neerwaartse trekkracht voelen naar de aarde en waarom de aarde om de zon draait. Hoewel de zwaartekracht dominant is op grote kosmische schalen en in de buurt van zeer grote massa’s zoals planeten of sterren, is het eigenlijk verreweg de zwakste van de vier bekende natuurkrachten – en de enige die niet door de kwantumtheorie wordt verklaard.

De kwantumtheorie en de algemene relativiteit kunnen in feite helemaal niet goed met elkaar overweg. De twee theorieën werken over het algemeen op zeer verschillende schalen, dus dat is niet zo’n groot probleem. Maar het verhindert ons om te begrijpen wat er gebeurde in de allereerste momenten van de oerknal, bijvoorbeeld, toen het heelal heel klein was en de zwaartekracht heel sterk. En in een andere situatie waarin de twee botsen – bij de waarnemingshorizon van een zwart gat – ontstaan onoplosbare paradoxen.

De grote hoop is dat een of andere “theorie van alles” op een dag de kwantumtheorie en de algemene relativiteit zou kunnen verenigen – hoewel pogingen zoals de snaartheorie en de lus-kwantumzwaartekracht er tot nu toe niet in geslaagd zijn om met de goederen op de proppen te komen.

Intussen is de algemene relativiteit nooit ontoereikend bevonden. Haar voorspelling dat zeer dichte agglomeraties van massa de ruimtetijd zozeer kunnen vervormen dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen, is waar gebleken. We noemen deze objecten nu “zwarte gaten”, kunnen de “event horizons” fotograferen die hen omgeven, en zijn er vrij zeker van dat er een te vinden is in het centrum van elk massief sterrenstelsel.

Maar de grootste triomf van de algemene relativiteit kwam misschien wel in 2015, met de ontdekking van gravitatiegolven – rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door de beweging van zeer massieve objecten. Het signaal van twee zwarte gaten die in een spiraal samenkomen en samensmelten, was een triomf van nauwgezet en geduldig speurwerk door het geavanceerde LIGO-experiment. Richard Webb