Zwaartekracht is de meest alledaagse, en tegelijk de meest raadselachtige natuurkracht. Het zorgt dat de maan om de aarde draait en appels naar de grond vallen. De zwaartekrachtwetten werden al beschreven door Newton en uitgebreid (en verfijnd) door Einstein. Maar in tegenstelling tot andere natuurkrachten is het niet duidelijk hoe zwaartekracht zich op de allerkleinste schaal gedraagt. Om hier meer grip op te krijgen willen natuurkundigen de komende jaren de zwaartekracht tussen piepkleine objecten onder de loep nemen.
Zo werd de zwaartekracht die twee gouden balletjes van elk slechts 90 milligram op elkaar uitoefenen in 2021 gemeten in Wenen. Dit is het kleinste zwaartekrachteffect ooit gemeten. Het experiment liet zien dat de balletjes van twee millimeter groot zich keurig houden aan de zwaartekrachtwetten van Einstein en Newton. Maar dit is pas het begin. Natuurkundigen werken aan experimenten die nog verder inzoomen.
Blijft zwaartekracht zich stug gedragen volgens de wetten van Einstein en Newton of krijgt het een quantummechanisch karakter en is er een nieuwe theorie nodig om deze quantumzwaartekracht te beschrijven?
Het is duidelijk dat er iets bijzonders aan de hand is met zwaartekracht. Van de vier bekende natuurkrachten is zwaartekracht verreweg de zwakste. Dat de elektromagnetische kracht sterker is, kun je eenvoudig aantonen door met een magneet je sleutelbos op te tillen. Dat dat lukt betekent dat de kracht van een kleine magneet groter is dan de zwaartekracht van de volledige aarde. De andere twee kernkrachten werken enkel op de schaal van atomen, maar zijn minstens een biljard maal sterker dan de zwaartekracht.
Twee theorieën
Toch speelt de zwaartekracht de hoofdrol op de grote schaal van het heelal. Het zorgt voor de aantrekkingskracht tussen sterren, planeten en andere hemellichamen; en tussen een appel en de aarde. Dat komt doordat in grote objecten vrijwel altijd evenveel positieve als negatieve lading zit, waardoor ze netto geen elektromagnetische kracht op elkaar uitoefenen, terwijl de zwaartekracht van alle deeltjes optelt.
De zwaartekracht heeft als enige kracht een eigen theorie. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein beschrijft zwaartekracht als een kromming van de ruimte – of eigenlijk van de ruimte en tijd – onder invloed van materie of energie, die zijn volgens Einsteins E=mc2 inwisselbaar. De andere drie krachten zijn geen eigenschap van de ruimtetijd. Ze bestaan in de ruimtetijd en worden beschreven door de quantummechanica, die gaat over het gedrag van kleine deeltjes.
Zowel de quantummechanica als de algemene relativiteitstheorie zijn bijzonder succesvol en veelvuldig bewezen. Maar als fysici ze proberen te verenigen, stuiten ze op problemen. De wiskunde loopt dan vast en spuwt onzinnige antwoorden uit die niets te maken hebben met de werkelijkheid.
Meestal is dat geen probleem. De zwaartekracht heeft de overhand op de grote schaal en de quantummechanica op de kleine schaal. Daardoor bemoeien ze zich zelden met elkaar. Toch breken fysici zich het hoofd over een huwelijk tussen de twee. Er zijn namelijk situaties waarin ze beide een essentiële rol spelen, zoals vlak na de oerknal en bij zwarte gaten. Daarbij gaat het namelijk om enorme hoeveelheden materie die zijn samengeperst in een kleine ruimte. De quantummechanica en zwaartekracht worden dan gedwongen om met elkaar te praten. Om die situaties te begrijpen, hebben fysici een nieuwe theorie nodig die zwaartekracht en quantummechanica verenigt.
Je kunt niet zomaar een zwart gat nabootsen in een lab
Verreweg de meeste natuurkundigen die hieraan werken, zoeken naar een quantumbeschrijving van zwaartekracht. Dat zou betekenen dat de ruimtetijd op de allerkleinste schaal bestaat uit bouwsteentjes die zich gedragen volgens de wetten van de quantummechanica. De ruimtetijd zoals wij die ervaren en de zwaartekracht zouden dan voortkomen uit het gedrag van die quantumbouwsteentjes. Er zijn een aantal kandidaten voor deze quantumzwaartekracht, zoals de snaartheorie – die voorspelt dat materie en ruimtetijd voortkomen uit piepkleine, trillende snaartjes.
Om te bepalen welke theorie op het juiste spoor zit, zijn er experimenten nodig die de mogelijke quantumaard van zwaartekracht in beeld brengen. Dat is niet eenvoudig. Je kunt niet zomaar een zwart gat nabootsen in een lab. „Daarvoor heb je energieën nodig die veel hoger zijn dan wat haalbaar is met de huidige deeltjesversnellers”, zegt Tjerk Oosterkamp, hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit Leiden.
Daarom pakken natuurkundigen het anders aan. Ze ontwikkelen experimenten die inzoomen op het onbekende gebied waar de grote schaal waarop de zwaartekracht regeert overgaat in de kleine schaal dat het domein is van de quantummechanica. Ergens in dat gebied zouden zwaartekracht en quantummechanica kunnen samenkomen. Natuurkundigen hopen daar bijvoorbeeld de zwaartekracht te kunnen betrappen op bemoeienis met quantumeffecten of op het vertonen van quantumgedrag.
Witte vlek
„Dat gebied is nu nog als een witte vlek op de kaart”, zegt Oosterkamp. „Wij proberen het in te kleuren door zwaartekracht te meten bij steeds kleinere objecten en quantumeigenschappen waar te nemen bij steeds grotere objecten.”
Een van die quantumeigenschappen is superpositie, waarbij een quantumdeeltje op twee of meer plekken tegelijkertijd is. Natuurkundigen zijn er inmiddels bedreven in om elektronen, atomen en moleculen op een gecontroleerde manier in superpositie te brengen. En de laatste tien jaar lukt dat soms ook met grotere objecten, zoals een soort quantumdrumvelletje van enkele micrometer. Maar deze quantum-superposities zijn fragiel en kunnen gemakkelijk verdwijnen door verstoringen, zoals trillingen. Dan is het deeltje niet meer op twee plekken tegelijkertijd, maar gewoon op een.
Onderzoeksgroepen zoals die van Oosterkamp en die in Wenen proberen de vlek vanaf de andere kant in te vullen door steeds kleinere zwaartekrachteffecten te meten. Na het record in Wenen met de gouden balletjes van twee millimeter, probeert de Leidse onderzoeksgroep de zwaartekracht te meten tussen deeltjes van één millimeter en uiteindelijk 100 micrometer groot, vertelt Oosterkamp.
Dat doen ze door een magneetje te laten zweven in een hightechkoelkast bij -273 graden Celsius. Die lage temperatuur zorgt voor zo min mogelijk verstoringen. Onder het zwevende magneetje laten ze een wiel draaien met daaraan drie blokjes. Telkens als een blokje bovenaan is, trekt de zwaartekracht ervan het magneetje een beetje naar beneden, vertelt de Leidse promovendus Dennis Uitenbroek. Als het blok weg is, veert het magneetje weer omhoog. Door die beweging te meten, kunnen ze de zwaartekracht tussen het blokje en het magneetje bepalen. „De eerste succesvolle experimenten waren met blokken van 2,4 kilogram aan een wiel dat buiten de koelkast stond”, zegt Uitenbroek. „Nu willen we naar blokjes van een paar milligram aan een kleiner wiel dat in de koelkast komt te staan.”
Het uiteindelijke doel is om de zwaartekrachtmetingen en de superpositiemetingen samen te brengen in een experiment dat het effect van zwaartekracht op een object in een quantum-superpositie meet. Als de zwaartekracht deze quantumtoestand beïnvloedt, bijvoorbeeld door de superpositie te laten verdwijnen, dan wijst dat er namelijk op dat zwaartekracht quantumachtige trekjes heeft. Het zal nog zeker decennia duren voordat de zwaartekrachtmetingen gevoelig genoeg zijn en de quantumobjecten groot genoeg.
Verstrengelde diamanten
Er bestaan nog meer manieren om naar aanwijzingen voor quantumzwaartekracht te zoeken in experimenten. Zo werkt Anupam Mazumdar, hoogleraar natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen, met een internationale groep collega’s aan een veelbelovend experiment op basis van quantumverstrengeling, een ander quantumeffect. Als twee quantumdeeltjes verstrengeld zijn, dan hebben ze een bijzondere band waardoor metingen aan de deeltjes niet meer onafhankelijk van elkaar zijn. Dat werkt als volgt: als Alice en Bob quantumverstrengeld zijn en allebei een munt opgooien en Alice ziet dat ze kop gooit, dan weet ze onmiddellijk dat Bob munt heeft gegooid, zonder naar zijn munt te kijken. Dat geldt ook omgekeerd.
Het experimentontwerp van Mazumdar bestaat uit twee diamantjes van een miljardste milligram. In de diamantroosters van beide zit een bijzonder plekje, het zogeheten NV-center. Dat kan in superpositie gebracht worden. De NV-centers van twee diamantjes kunnen met elkaar verstrengeld raken. In het experiment worden de diamantjes met de NV-centers op ongeveer 50 tot 60 micrometer afstand van elkaar geplaatst. Als zwaartekracht quantumeigenschappen heeft, dan kan het de NV-centers in de diamantjes verstrengelen. Meet je dat er verstrengeling is ontstaan, dan is dat een sterke aanwijzing voor quantumzwaartekracht.
„Zwaartekracht is niet de enige manier waarop de verstrengeling kan ontstaan”, vertelt Mazumdar. Dat kan ook gebeuren onder invloed van een elektromagnetische kracht, opgewekt door elektrische lading in de omgeving. „Het mooie is dat we manieren hebben om die elektromagnetische krachten te blokkeren terwijl we de zwaartekracht niet kunnen tegenhouden; dus als zwaartekracht werkelijk quantum is, dan raken de twee massa’s onvermijdelijk met elkaar verstrengeld.”
Daarmee zou het experiment overtuigen kunnen aantonen dat zwaartekracht een quantumkracht is. Wel is ook dit voorlopig toekomstmuziek. Mazumdar: „Het is een marathonexperiment; het zal minstens 20 tot 25 jaar duren om het experiment op te bouwen. We bevinden ons nu in de beginfase.”
Het zal dus nog een paar decennia duren voordat experimenten in staat zijn om effecten van quantumzwaartekracht te meten. Oosterkamp denkt niet dat hij dit zal meemaken voor zijn pensioen. Desondanks is hij enthousiast over de ontwikkelingen. „Ik vind het mooi dat er nu honderden onderzoekers werken aan experimenten op de grens van quantummechanica en zwaartekracht. Twintig jaar geleden werd het nog gezien als filosofische gedachte-experimenten. Je daarmee bezighouden, betekende dat je klaar was met je natuurkundige carrière. Het was iets voor na je pensioen. Vijftien jaar geleden verzwegen we daarom dat we eraan werkten als we projectvoorstellen schreven. Inmiddels lijken de experimenten haalbaar en kunnen we het opbiechten zonder onderzoeksgeld mis te lopen.”
