Meest recent

    Copyright: www.bridgemanimages.com

    Ontstaat zwaartekracht door vreemde, willekeurige kwantumflitsen?

    Onderzoekers hebben een nieuw model ontwikkeld dat beschrijft hoe de golffuncties van een kwantumsysteem instorten, en dat model onthult een manier waarop die instortingen een zwaartekrachtveld kunnen opwekken. Zwaartekracht zou ontstaan uit willekeurige fluctuaties op kwantumniveau. Als het model bevestigd wordt, biedt het de mogelijkheid om de kwantumfysica te verenigen met de algemene relativiteitstheorie van Einstein.

    Een van de grootste problemen van de moderne fysica is dat de twee grote theorieën die de werkelijkheid beschrijven, niet met elkaar verenigbaar zijn. Aan de ene kant is er de kwantumfysica, die de interacties van de kleinste deeltjes van de materie beschrijft, en aan de andere kant de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die net beschrijft hoe de zwaartekracht en de grote structuren in het universum zich gedragen. 

    Sinds Einstein proberen natuurkundigen om de twee theorieën met elkaar te verzoenen, maar dat levert verwarrende contradicties op. Niemand lijkt immers te weten welke delen van welke theorie een fundamentele rol spelen in ons begrip van de werkelijkheid. 

    Onderzoekers hebben geprobeerd om de kloof tussen de twee theorieën te overbruggen door het concept van "kwantumzwaartekracht" te introduceren. Daarbij zou de zwaartekracht in essentie bestaan uit ondeelbare pakketjes die natuurkundigen quanten of kwanta noemen, net zoals elektro­magnetische kracht bestaat uit quanten die fotonen heten. Maar die theorie heeft veel beperkingen en natuurkundigen blijven zoeken naar andere, betere verklaringen.   

    Lucas Vieira Barbosa/Wikimedia

    De vervorming van de ruimtetijd door een zwaar object.

    Golffuncties

    Een moeilijk punt in de kwantummechanica is dat er steeds een of andere waarnemer nodig is om wat een golffunctie genoemd wordt, te laten instorten tot een enkele realiteit. Die golffunctie is een verzameling waarschijnlijkheden, waarmee je kan uitrekenen wat de kans is dat je een bepaald deeltje op een bepaalde plaats zult vinden als je een meting uitvoert. Als die meting wordt uitgevoerd, klapt de golffunctie in, en ontstaat de werkelijkheid van het bepaalde deeltje op een bepaalde plaats.  

    De kwantumfysica omschrijft niet wat een "meting" nu precies inhoudt, en zo is het bijvoorbeeld niet duidelijk of er een bewuste mens bij nodig is. Dat probleem met die metingen leidt tot paradoxen, zoals het beroemde gedachte-experiment van Schrödingers kat, waarbij een kat tegelijk levend en dood kan zijn.

    Dhatfield/Wikimedia

    Het gedachte-experiment van Schrödingers kat: een kat, een flesje vergif (groen), en een radioactieve bron (blauw) worden in een verzegelde kist geplaatst. Als een monitor, bijvoorbeeld een geigerteller (geel), radioactiviteit detecteert - het verval van een enkel atoom, wat het instorten van een enkele golffunctie inhoudt -, valt het hamertje naar beneden en laat het het gif uit het flesje los, zodat de kat sterft.  Volgens de Kopenhagen-interpretatie van de kwantumfysica is de kat na een tijdje tegelijk dood en levend. Wanneer men echter gaat kijken, zal men de kat ofwel dood ofwel levend aantreffen. Dat roept de vraag op wanneer de superpositie van de golffuncties - waarbij de kat dood is volgens één golffunctie, en levend volgens een andere - precies eindigt en ineenstort in de ene of de andere mogelijkheid.

    Flitsen

    Een manier om dergelijke paradoxen te omzeilen is het GRW-model (Ghirardi-Rimini-Weber), dat in 1985 het daglicht zag, en dat stelt dat instortingen van golffuncties ook spontaan gebeuren, zonder dat een waarnemer een meting verricht dus.

    En van dit model kan men een bepaald kenmerk gebruiken om eindelijk te proberen de kwantumfysica en de zwaartekracht te versmelten: in het GRW-model ontstaat er namelijk een zwaartekrachtveld wanneer een golffunctie inklapt. Dat veld ontstaat in een flits op de locatie in de ruimtetijd die overeenkomt met het precieze ogenblik van het inklappen, en met de precieze locatie van het deeltje op dat moment.

    Die spontane instortingen en de zwaartekrachtvelden die ermee samengaan, zijn zeldzaam volgens de GRW-theorie, maar in een gigantisch kwantum­systeem met een enorm aantal deeltjes, ontstaan er toch heel veel van die flitsen. En het gevolg daarvan is een fluctuerend zwaartekrachtveld.

    Edward Kimmel/Wikimedia

    Fluctuerend zwaartekrachtveld

    Theoretisch onderzoeker Antoine Tilloy van het Max Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München becijfert nu in een artikel dat het gemiddelde van die fluctuaties, van dat fluctuerend zwaartekrachtveld, een zwaartekrachtveld oplevert zoals men dat op basis van de newtoniaanse zwaartekracht zou kunnen verwachten, de zwaartekracht zoals die beschreven is door de vader van de klassieke mechanica, Isaac Newton, in zijn Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.

    Natuurkundigen noemen deze aanpak om de zwaartekracht en de kwantumfysica samen te smelten "semiklassiek": de zwaartekracht komt er immers voort uit kwantumprocessen, maar blijkt zelf een klassieke, newtoniaanse kracht. "Er bestaat geen reden om deze semiklassieke aanpak te negeren", zegt Tilloy in "New Scientist". "Zwaartekracht zou op fundamenteel niveau wel eens klassiek kunnen zijn."

    Andere natuurkundigen vinden het idee van Tilloy in principe wel interessant, maar wijzen erop dat er nog een aantal problemen opgelost moeten worden voor deze aanpak ernstig genomen zal worden als een theorie die alle fundamentele krachten op elke mogelijke schaal met elkaar verbindt. Zo is Tilloys model bijvoorbeeld wel bruikbaar om de newtoniaanse zwaartekracht te beschrijven, maar nu moet wiskundig nog doorgerekend worden of het ook de daarvan afwijkende zwaartekracht kan beschrijven uit de algemene relativiteitstheorie van Einstein.

    Tilloy zelf is het daarmee overigens eens. "Dit is erg moeilijk om te generaliseren naar een relativistische setting", zei hij aan New Scientist. Hij waarschuwt er ook voor dat niemand weet welke van de vele aanpassingen die je aan de kwantumfysica kunt doen in het kader van deze theorie, de juiste zijn.

    Andrew Dunn/Wikimedia

    De titelbladzijde van Newtons eigen exemplaar, met zijn verbeteringen, van de eerste druk van de "Principia Mathematica".  Illustratie helemaal bovenaan: Newton denkt na over de zwaartekracht nadat hij een appel heeft zien vallen.  

    Falsifieerbaar

    Een groot voordeel van zijn model is dat het wel degelijk falsifieerbaar is, dat men met andere woorden voorspellingen kan doen op basis van het model, en vervolgens nagaan of die kloppen. Als dat het geval is, versterken ze het model, kloppen ze niet, dan moet het model in vraag gesteld worden. Zo voorspelt het model van Tilloy bijvoorbeeld dat de zwaartekracht zich anders moet gedragen op het niveau van atomen dan op grotere schaal.

    Als verder onderzoek aantoont dat Tilloys model inderdaad overeenstemt met de werkelijkheid, en dat de zwaartekracht inderdaad ontstaan is uit spontaan instortende kwantumfluctuaties, dan zou dat een belangrijke aanwijzing zijn dat de weg naar een allesomvattende theorie loopt via semiklassieke zwaartekracht.

    Overigens zou er nog iets anders uit blijken: aangezien zwaartekracht zou ontstaan uit kwantummechanische processen, zou dat aantonen dat de kwantummechanica fundamenteler is voor de structuur van het universum dan de zwaartekracht.

    Het werk van Antoine Tilloy is gepubliceerd in Arxiv.org. Het is nog niet onderworpen aan "peer review", andere experts in het veld hebben het met andere woorden niet nagelezen.