Als we aanvullende dimensies in ons universum willen vinden, dat wil zeggen het bestaan waarvan de zogenaamde snaartheorie ons probeert uit te leggen, dan moeten we onze aandacht richten op zwaartekrachtgolven. Omdat ze de sleutel kunnen zijn tot hun ontdekking, zeggen natuurkundigen.
Dit is hoe je in het kort het idee van een nieuwe hypothese kunt beschrijven, die een antwoord probeert te vinden op het onopgeloste raadsel van de fysica: waarom is de zwaartekracht eigenlijk zwakker dan andere fundamentele krachten van ons universum? Volgens de nieuwe hypothese leidt het "lek" van zwaartekracht alleen naar andere dimensies die we nog moeten ontdekken.
“De mogelijkheid van andere dimensies wordt al geruime tijd en vanuit totaal verschillende invalshoeken besproken”, zegt Emilian Dudas van de Ecole Polytechnique in Parijs.
"Zwaartekrachtgolven zouden op hun beurt de sleutel kunnen zijn om deze extra dimensies te ontdekken."
Het idee van vier dimensies wordt nu algemeen aanvaard: drie ruimtelijke (lengte, breedte, hoogte) en één tijdelijke (tijd). Onze kennis van hoe materie zich op de kleinste schaal gedraagt, bevat echter veel hiaten die nog eens zes dimensies zouden kunnen vullen. Dit is de mening van String Theory, volgens welke alles in het heelal veel gemakkelijker te begrijpen en uit te leggen zou kunnen zijn als we het eens waren met het idee van het bestaan van 10 dimensies. Bovendien wordt snaartheorie gezien als de meest waarschijnlijke manier om eindelijk de kloof tussen klassieke en kwantumfysica te overbruggen en de basis te worden voor de toekomstige theorie van kwantumzwaartekracht.
Volgens deze theorie kunnen de kleinste materiedeeltjes die we kunnen detecteren, quarks, in feite uit nog kleinere deeltjes bestaan - eendimensionale energetische vezels die zich gedragen als trillende snaren. Wetenschappers zijn om een simpele reden erg geïnteresseerd in deze "snaren". Aangenomen wordt dat ze zullen kunnen doen wat onze moderne fysica niet kan, namelijk: nauwkeurig alle fundamentele krachten beschrijven die we kennen, inclusief zwaartekracht, elektromagnetisme en nucleaire krachten. Ze kunnen ons ook helpen begrijpen waarom het universum zich nog steeds uitbreidt. Het belangrijkste (en misschien wel het enige significante) probleem is echter dat ze (strings) ten minste 10 dimensies nodig hebben voor hun wiskundige rechtvaardiging. En het probleem is dat we er nog niet eens dichtbij zijn gekomenom één extra te openen.
Desalniettemin zijn natuurkundigen Gustavo Lucena-Gomez en David Andriot van het Max Planck Instituut voor Fysica in Duitsland ervan overtuigd dat we hoop hebben op de ontdekking van deze extra dimensies. En deze hoop zijn de zwaartekrachtsgolven die lang geleden zijn voorspeld door de grote Einstein en pas onlangs zijn bevestigd door moderne wetenschappers.
Zwaartekrachtgolven werden een van de populairste onderwerpen van het afgelopen jaar, toen natuurkundigen van LIGO - twee gigantische observatoria in de Amerikaanse staten Louisiana en Californië - voor het eerst aankondigden dat ze direct bewijs hadden ontdekt voor het bestaan van de zogenaamde rimpelingen van de ruimte-tijd, die ongeveer 100 jaren geleden voorspeld door Einstein. Deze golven reizen door de ruimtetijd met de snelheid van het licht en zijn het resultaat van enkele van de meest catastrofale gebeurtenissen in het universum, zoals samensmeltende zwarte gaten of exploderende sterren. Ze zijn in staat om alle dimensies te passeren die ons in het universum bekend zijn en, hoogstwaarschijnlijk, zelfs de dimensies die we nog niet kunnen detecteren.
Promotie video:
"Als er extra dimensies in het universum zijn, dan zou het logisch zijn om aan te nemen dat zwaartekrachtgolven in al deze dimensies zullen bestaan", zegt Gomez.
Gomez en Andriot ontwikkelden een wiskundig model dat de veronderstelde effecten van zwaartekrachtgolven op metingen beschrijft en identificeerden twee sleutelfactoren. Ten eerste kunnen volgens de onderzoekers extra dimensies ontstaan dankzij hoogfrequente gravitatiegolven. Ten tweede zouden zwaartekrachtgolven in verschillende dimensies verschillende effecten moeten hebben op het uitrekken van het "weefsel" van het heelal.
Volgens de onderzoekers zou in het eerste geval voor detectie apparatuur nodig zijn die duizenden keren gevoeliger is dan die van dezelfde LIGO.
“We zijn nog geen astrofysische processen tegengekomen die zwaartekrachtgolven creëren met een frequentie die veel hoger is dan 1000 Hz. Daarom zouden we met een geschikte superkrachtige en gevoelige detector onmiddellijk begrijpen wat we zien. Het bepalen van frequenties van een dergelijk niveau zou kunnen duiden op de ontdekking van nieuwe fysica."
En het tweede geval vereist dat natuurkundigen afwijkende veranderingen in de impact op de ruimte-tijd van "gewone zwaartekrachtgolven" (dat wil zeggen, die we nu kunnen bepalen) en die welke zwaartekrachtgolven uit andere dimensies zouden hebben gehad, bestuderen.
"De vervorming van ruimte-tijd zou in een bepaalde, onderscheidende vorm worden gepresenteerd", zeggen de wetenschappers.
Wetenschappelijke columnist Hannah Osborne van Newsweek is optimistischer over de mogelijkheid om extra dimensies te detecteren door hun invloed op zwaartekrachtgolven. Volgens haar is een detector met het gevoeligheidsniveau van drie LIGO-laboratoria tegelijk nodig, die als geheel werken. Osborne gelooft dat "dergelijke technologieën in de nabije toekomst beschikbaar zullen komen".
Het bestaan van andere dimensies kan het antwoord zijn van de moderne natuurkunde, waarnaar wetenschappers zo lang en volhardend hebben gezocht. Andere metingen zouden kunnen leiden tot de creatie van een verenigde theorie van het universum, die de kwantumveldentheorie zou verzoenen met algemene principes van relativiteit.
De mening over de waarschijnlijkheid van het bestaan van extra dimensies wordt door veel wetenschappers gedeeld. De theoretisch natuurkundige Bobby Acharia van King's College London gelooft bijvoorbeeld dat het universum veel complexer is dan het op het eerste gezicht lijkt, en dat alles erin verborgen kan blijven. Hij gelooft in aanvullende dimensies, maar is zich er terdege van bewust dat het huidige technologieniveau het niet mogelijk maakt deze te ontdekken.
“Om zwaartekrachtgolven te creëren en te herverdelen naar andere dimensies, heb je een enorme hoeveelheid energie nodig. Zelfs als het je lukt om golven te creëren die naar andere dimensies sijpelen, zal de schaal zo klein zijn dat de frequentie van zwaartekrachtgolven in dit geval erg hoog zal zijn, veel hoger dan de huidige detectiemogelijkheden van de LIGO-zwaartekrachtgolfdetector."
NIKOLAY KHIZHNYAK