Hoe de twee tegenstrijdige pijlers van de moderne fysica met elkaar verzoenen: kwantumtheorie en zwaartekracht? Wetenschappers dachten lange tijd dat de wetenschap vroeg of laat deze of gene theorie als dominant zou erkennen, maar de realiteit bleek, zoals altijd, veel interessanter. Nieuw onderzoek suggereert dat zwaartekracht kan ontstaan door willekeurige fluctuaties op kwantumniveau.
Van de twee fundamentele theorieën die de realiteit om ons heen verklaren, doet de kwantumtheorie een beroep op de interacties tussen de kleinste materiedeeltjes, terwijl de algemene relativiteitstheorie verwijst naar de zwaartekracht en de grootste structuren in het hele universum. Sinds de dagen van Einstein hebben natuurkundigen geprobeerd de kloof tussen deze leringen te overbruggen, maar met wisselend succes.
Een manier om zwaartekracht te verzoenen met de kwantummechanica was door aan te tonen dat zwaartekracht is gebaseerd op ondeelbare materiedeeltjes, kwanta. Dit principe kan worden vergeleken met hoe de lichtquanta zelf, fotonen, een elektromagnetische golf voorstellen. Tot nu toe hadden wetenschappers niet genoeg gegevens om deze veronderstelling te ondersteunen, maar Antoine Tilloy (Antoine Tilloy) van het Institute of Quantum Optics. Max Planck in Garching, Duitsland, probeerde de zwaartekracht te beschrijven met de principes van de kwantummechanica. Maar hoe deed hij het?
Quantum wereld
In de kwantumtheorie wordt de toestand van een deeltje beschreven door zijn golffunctie. Hiermee kunt u bijvoorbeeld de kans berekenen om een deeltje op een of ander punt in de ruimte te vinden. Voor de meting zelf is het niet alleen onduidelijk waar het deeltje zich bevindt, maar ook of het bestaat. Alleen al het feit van meten creëert letterlijk realiteit door de golffunctie te "vernietigen". Maar kwantummechanica behandelt zelden metingen, en daarom is het een van de meest controversiële gebieden van de natuurkunde. Onthoud de paradox van Schrödinger: je kunt het pas oplossen als je een meting hebt uitgevoerd door een doos te openen en erachter te komen of de kat leeft of niet.
Een oplossing voor deze paradoxen is het zogenaamde GRW-model, dat eind jaren tachtig werd ontwikkeld. Deze theorie omvat een fenomeen als "flares" - spontane instortingen van de golffunctie van kwantumsystemen. Het resultaat van de toepassing is precies hetzelfde alsof de metingen zijn uitgevoerd zonder waarnemers als zodanig. Tilloy heeft het aangepast om te laten zien hoe het kan worden gebruikt om tot een zwaartekrachttheorie te komen. In zijn versie creëert een flits die de golffunctie vernietigt en het deeltje daardoor dwingt om op één plek te zijn, ook een zwaartekrachtveld op dit moment in de ruimte-tijd. Hoe groter het kwantumsysteem, hoe meer deeltjes het bevat en hoe vaker fakkels voorkomen, waardoor een fluctuerend zwaartekrachtveld ontstaat.
Het meest interessante is dat de gemiddelde waarde van deze fluctuaties het gravitatieveld is dat Newtons zwaartekrachttheorie beschrijft. Deze benadering van het verenigen van zwaartekracht met kwantummechanica wordt quasi-klassiek genoemd: zwaartekracht komt voort uit kwantumprocessen, maar blijft een klassieke kracht. “Er is geen echte reden om de quasi-klassieke benadering te negeren, waarin zwaartekracht fundamenteel is op een fundamenteel niveau”, zegt Tilloy.
Promotie video:
Het fenomeen zwaartekracht
Klaus Hornberger van de Universiteit van Duisburg-Essen in Duitsland, die niet deelnam aan de ontwikkeling van de theorie, behandelt deze met grote sympathie. De wetenschapper wijst er echter op dat voordat dit concept de basis vormt van een uniforme theorie die de aard van alle fundamentele aspecten van de wereld om ons heen verenigt en verklaart, het nodig zal zijn om een aantal problemen op te lossen. Het model van Tilloy kan bijvoorbeeld zeker worden gebruikt om de zwaartekracht van Newton te verkrijgen, maar de overeenkomst met de zwaartekrachttheorie moet nog worden geverifieerd met behulp van wiskunde.
De wetenschapper is het er echter zelf over eens dat zijn theorie een onderbouwing nodig heeft. Hij voorspelt bijvoorbeeld dat de zwaartekracht zich anders zal gedragen afhankelijk van de schaal van de objecten in kwestie: voor atomen en voor superzware zwarte gaten kunnen de regels heel verschillend zijn. Hoe het ook zij, als uit tests blijkt dat het model van Tillroy inderdaad de werkelijkheid weerspiegelt, en de zwaartekracht inderdaad een gevolg is van kwantumfluctuaties, dan zal dit natuurkundigen in staat stellen de werkelijkheid om ons heen op een kwalitatief ander niveau te begrijpen.
Vasily Makarov
