Al meer dan een eeuw proberen fysici de kloof te overbruggen die bestaat tussen de twee fundamentele theorieën waar de moderne natuurkunde op steunt. Aan de ene kant heb je de quantummechanica, die gaat over het gedrag van deeltjes op de kleinste schaal. En aan de andere kant de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die op grote schaal de zwaartekracht beschrijft als kromming van de ruimtetijd.
Beide theorieën zijn succesvol en veelvuldig bewezen. Maar als fysici ze proberen te verenigen stuiten ze op problemen. Dat is een probleem, want er zijn situaties, zoals vlak na de oerknal en bij zwarte gaten, waar beide een essentiële rol spelen.
Natuurkundigen van University College London, onder leiding van Jonathan Oppenheim, komen nu met een radicaal idee om de twee samen te brengen. Volgens hun „postquantumtheorie van de klassieke zwaartekracht”, die maandag verscheen in het vakblad Physical Review X, vertoont de ruimtetijd willekeurige fluctuaties. Dat zorgt ervoor dat het gewicht van objecten en de snelheid waarmee de tijd voortschrijdt onvoorspelbaar fluctueren.
Compleet andere aanpak
Oppenheim kiest hierbij voor een compleet andere aanpak dan andere fysici. Het heersende idee is namelijk dat Einsteins zwaartekrachttheorie aangepast („gekwantificeerd”) moet worden om in de quantumtheorie te passen. Dat betekent dat ook de ruimtetijd – als je ver genoeg inzoomt – bestaat uit bouwsteentjes die zich gedragen volgens de wetten van de quantummechanica. De ruimtetijd die wij ervaren met de daarbij horende zwaartekracht komt dan op een of andere manier voort uit deze quantumbouwsteentjes.
Dit is de benadering van de twee meest populaire kandidaten voor een quantumtheorie van zwaartekracht: de snaartheorie – die voorstelt dat materie en ruimtetijd voortkomen uit piepkleine, trillende snaartjes – en loop-quantumzwaartekracht, waarbij de ruimtetijd opgebouwd is uit een netwerk van met elkaar verweven lusjes. De postquantumtheorie van Oppenheim gaat tegen deze benadering in door voor te stellen dat de ruimtetijd geen quantumkarakter heeft, maar klassiek is, zoals beschreven door Einstein. Dat betekent dat de ruimtetijd glad is en je geen quantumbouwsteentjes tegenkomt, ongeacht hoe ver je inzoomt.
Het blijkt mogelijk om deze klassieke ruimtetijd te laten reageren met materie die zich gedraagt volgens de wetten van de quantummechanica, vertelt Zach Weller-Davies, die als promovendus meewerkte aan Oppenheims theorie. „Dat kan als die ruimtetijd willekeurige fluctuaties heeft.”
In een tweede publicatie, die maandag verscheen in Nature Communications, stellen Oppenheim, Weller-Davies met hun collega’s Carlo Sparaciari and Barbara Soda voor om de theorie te testen door bijvoorbeeld een tijd lang heel nauwkeurig het gewicht te meten van een object – bijvoorbeeld de standaardkilo van het internationaal bureau voor gewichten en maten in Parijs. Als de gemeten gewichtsfluctuaties kleiner zijn dan wat de theorie voorspelt, dan kan die de prullenbak in. Daarnaast zijn er experimenten die proberen te achterhalen of zwaartekracht fundamenteel quantummechanisch is. Ook dat zou het einde betekenen voor deze nieuwe theorie. Vanwege de nauwkeurigheid die nodig is voor deze experimenten, zullen de resultaten mogelijk nog tientallen jaren op zich laten wachten.
De uitkomst van deze experimenten, of ander bewijs, is ook het onderwerp van een bijzondere weddenschap die Oppenheim in 2021 afsloot met Geoff Penington en Carlo Rovelli – die respectievelijk werken aan snaartheorie en loop-quantumzwaartekracht. Als Oppenheims voorstel juist is en de ruimtetijd glad is, maakt hij kans op 5.000 ‘objecten’, die elk minder dan 23 cent kosten, zoals chips, ballenbak-ballen of kleine beetjes olijfolie, balsamicoazijn of wijn.
„Het is een interessante, goed uitgewerkte theorie”, zegt natuurkundige Manus Visser van de universiteit van Cambridge, die niet bij de publicatie betrokken is. „Ik vind het mooi dat er nieuwe voorstellen zijn voor quantumzwaartekracht, omdat het een groot open probleem is. En deze theorie is ook nog eens experimenteel testbaar binnen afzienbare tijd. Maar dat betekent niet dat het de juiste theorie is.”
Een klassieke ruimtetijd druist in tegen de kijk van Visser en vele andere fysici op quantumzwaartekracht. Experimenten zullen moeten uitwijzen wie er gelijk heeft. Visser: „Uiteindelijk beslist de natuur, niet ik.”
Leeslijst
