Natuurkundigen breken zich al tijdenlang het hoofd over de vraag hoe de zwaartekracht ‘werkt’ in de quantumwereld. Een nieuwe theorie, waar geen quantum aan te pas komt, kan weleens de oplossing zijn.
Natuurkundigen gebruiken twee verschillende theorieën om de wereld te beschrijven, afhankelijk van de schaal waarop ze kijken. Op de grote schaal grijpen ze naar de algemene relativiteitstheorie, die de wetten van de zwaartekracht en ruimtetijd beschrijft. Op de kleine schaal heerst de quantumtheorie, die beschrijft hoe deeltjes werken. Hoe je deze twee werelden met elkaar moet rijmen, is het grootste vraagstuk binnen de natuurkunde.
Natuurkundigen hebben allerlei oplossingen aangedragen, maar van geen enkele is bewezen dat die werkt. Sterker nog, het is ook moeilijk om uit te sluiten welke oplossing níét werkt. Nu lijkt het erop dat een nieuw idee daadwerkelijk op de proef kan worden gesteld. Als het de test doorstaat, kan het onze kijk op de tijd drastisch veranderen.
Glad geheel
De meeste voorgestelde ideeën om de relativiteitstheorie en quantumtheorie te verenigen, vallen onder de noemer van ‘quantumzwaartekrachttheorieën’. De bedenker van het huidige idee, natuurkundige Jonathan Oppenheim van het University College in Londen, kiest in plaats daarvan voor de naam ‘post-quantumzwaartekracht’. In tegenstelling tot zijn voorgangers doet deze theorie geen poging om de ruimtetijd, en daarmee de zwaartekracht, ‘quantum’ te maken.
Om een theorie quantum te maken moet deze worden opgesplitst in fundamentele onderdelen, de zogeheten ‘quanta’. Licht is bijvoorbeeld quantum: de quanta ervan zijn lichtdeeltjes, oftewel fotonen. Twee van de andere drie natuurkrachten zijn ook duidelijk quantum. Zwaartekracht is de uitzondering: van deze kracht is nog niet bewezen dat hij quantum is. Oppenheim en zijn collega’s denken dat dit ook niet het geval is.
Hun theorie gaat ervan uit dat ruimtetijd niet in fundamentele onderdelen op te splitsen is, maar in plaats daarvan een continu, ‘glad’ geheel is, zonder onderliggende bouwstenen. De natuurkundigen hebben op basis van dat idee een lange reeks wiskundige berekeningen en simulaties uitgevoerd van hoe deze continue ruimtetijd samenwerkt met de natuurkrachten, deeltjes en velden die wél quantum zijn.
Horten en stoten
Een van de effecten die naar voren kwam, is een vreemde willekeur in de ruimtetijd. Als we aan de tijd denken, stellen we ons vaak een klok voor die regelmatig tikt. Elke tik volgt op zijn voorganger, met gelijke intervallen ertussen. Volgens de post-quantumzwaartekracht komen er kleine, willekeurige schommelingen voor in deze tikken. Zo’n schommeling is te klein om waar te nemen, maar ze maken de tijd ‘wankel’, waardoor die met horten en stoten voorwaarts gaat.
Deze schommelingen maken het mogelijk om Oppenheims zwaartekrachttheorie te verenigen met de quantumtheorie. Als je de schommelingen meeneemt in quantumberekeningen, leiden ze tot verschijnselen die natuurkundigen op de quantumschaal zien. Zo kan het verklaren waarom kleine systemen, zoals deeltjes, de quantumregels volgen, terwijl grotere systemen de klassieke natuurkunderegels volgen.
Het is niet duidelijk waarom de tijd zou ‘wankelen’. Het volgt uit de vergelijkingen, maar Oppenheim kan geen oorzaak voor deze willekeur aanwijzen. ‘Is er iets, een fysisch effect, dat ervoor zorgt dat de tijd op een onvoorspelbare manier verloopt? Dat kan, maar dat ligt dan een niveau dieper. Op dit moment denk ik niet dat we er klaar voor zijn tot op dat niveau af te dalen’, zegt Oppenheim. ‘Maar als we aannemen dat de ruimtetijd niet uit quanta bestaat, dan is het een logisch gevolg daarvan.’
Oppenheim erkent dat zijn idee onder natuurkundigen controversieel is. ‘Ik ken niemand anders die denkt dat het waarschijnlijker is dat het waar is dan dat het niet waar is – ik sta daar waarschijnlijk alleen in. Maar er zijn wel veel mensen die vinden dat we het moeten testen.’
Proef op de som
Zo’n test komt langzaam maar zeker binnen ons bereik te liggen. En het feit dat post-quantumzwaartekracht toetsbaar is, geeft de theorie meer wetenschappelijke geloofwaardigheid dan sommige andere ideeën, die niet te testen zijn, zegt natuurkundige Giuseppe Fabiano van het Lawrence Berkeley-laboratorium in de Verenigde Staten. ‘Ik sta agnostisch tegenover de theorie zelf, maar zolang ze voorspellingen oplevert die ik in het lab kan testen, is het een bruikbaar idee.’
De toets die Oppenheim voorstelt, heeft te maken met het meten van de eigenschappen van de zwaartekracht tussen objecten. In de algemene relativiteitstheorie zijn ruimte en tijd onlosmakelijk met elkaar verbonden. De kromming van de ruimtetijd veroorzaakt de zwaartekracht. Veranderingen in de eigenschappen van de ruimte en tijd zullen dus ook noodzakelijkerwijs de sterkte van de zwaartekracht veranderen. ‘Als de tijd een onvoorspelbaarheid in zich heeft, dan moet je deze onvoorspelbaarheid ook kunnen zien als je de zwaartekracht meet’, zegt Oppenheim.
De bijbehorende experimenten worden nu al gebouwd, maar het kan nog tientallen jaren duren voordat ze nauwkeurig genoeg zijn om de post-quantumzwaartekrachttheorie te testen. Natuurkundigen hebben pas onlangs uitgevogeld dat dit soort tests mogelijk zijn – het ontwikkelen van de sensoren die nodig zijn om ze uit te voeren, is nog een gigantische klus.
Vreemde eend
‘Als we experimenteel bevestigen dat post-quantumzwaartekracht klopt, zou dat een enorme doorbraak zijn’, zegt Fabiano. De zwaartekracht heeft zich tot nog toe altijd gedragen als een vreemde eend in de bijt ten opzichte van de natuurkrachten. Ze is bijvoorbeeld veel zwakker dan de rest. Maar als nu blijkt dat ze in haar meest fundamentele aard écht anders is dan de andere krachten, zou dat de natuurkunde compleet op zijn kop zetten.
Het is moeilijk voor te stellen hoe ingrijpend de gevolgen zouden zijn. Sommige problemen, zoals het verenigen van de algemene relativiteitstheorie met de quantumtheorie, zouden zijn opgelost. De keerzijde van de medaille is dat een ‘afwijkende’ aard van de zwaartekracht ook weer veel andere vragen zou oproepen.
Geef een reactie