We hebben alle reden om aan te nemen dat zwaartekracht inherent een kwantumtheorie is. Maar hoe kunnen we dit voor eens en voor altijd bewijzen? Dr. Sabina Nossenfelder, een theoretisch fysicus, een expert in kwantumzwaartekracht en hoge-energiefysica, vertelt hierover. Verder van de eerste persoon.
Als je een goed gezichtsvermogen hebt, zijn de kleinste objecten die je kunt zien ongeveer een tiende van een millimeter groot: ongeveer de breedte van een mensenhaar. Voeg technologie toe, en de kleinste structuur die we tot nu toe hebben kunnen meten, was ongeveer 10-19 meter, wat de golflengte is van protonen die bij de LHC botsen. Het kostte ons 400 jaar om van de meest primitieve microscoop naar de bouw van de LHC te gaan - een verbetering van 15 ordes van grootte over vier eeuwen.
De kwantumeffecten van zwaartekracht worden naar schatting relevant op afstandsschalen van ongeveer 10-35 meter, bekend als de Planck-lengte. Dit is nog een pad van 16 ordes van grootte of een andere factor 1016 in termen van botsingsenergie. Hierdoor vraag je je af of dit überhaupt mogelijk is, of dat alle pogingen om een kwantumtheorie van zwaartekracht te vinden voor altijd loze fictie zullen blijven.
Ik ben een optimist. De geschiedenis van de wetenschap zit vol met mensen die dachten dat veel onmogelijk was, maar in werkelijkheid bleek het andersom te zijn: het meten van de afbuiging van licht in het zwaartekrachtveld van de zon, machines zwaarder dan lucht, het detecteren van zwaartekrachtgolven. Daarom acht ik het niet onmogelijk om kwantumzwaartekracht experimenteel te testen. Het kan tientallen of honderden jaren duren - maar als we in beweging blijven, kunnen we ooit de effecten van kwantumzwaartekracht meten. Niet noodzakelijk door direct de volgende 16 ordes van grootte te bereiken, maar eerder door indirecte detectie bij lagere energieën.
Maar uit het niets wordt niets geboren. Als we niet nadenken over hoe de effecten van kwantumzwaartekracht zich zouden kunnen manifesteren en waar ze zouden kunnen verschijnen, zullen we ze zeker nooit vinden. Mijn optimisme wordt gevoed door een groeiende interesse in de fenomenologie van kwantumzwaartekracht, een onderzoeksgebied dat zich toelegt op de studie van hoe het beste kan worden gezocht naar manifestaties van kwantumzwaartekrachteffecten.
Aangezien er geen enkele consistente theorie is uitgevonden voor kwantumzwaartekracht, zijn de huidige pogingen om waarneembare verschijnselen te vinden gericht op het vinden van manieren om de algemene kenmerken van de theorie te testen, door te zoeken naar eigenschappen die zijn gevonden in een aantal verschillende benaderingen van kwantumzwaartekracht. Bijvoorbeeld kwantumfluctuaties in ruimtetijd, of de aanwezigheid van een "minimumlengte" die de fundamentele limiet van resolutie zal markeren. Dergelijke effecten kunnen worden bepaald met behulp van wiskundige modellen, en vervolgens kan de sterkte van deze mogelijke effecten worden geschat en om te begrijpen welke experimenten de beste resultaten kunnen opleveren.
Het testen van kwantumzwaartekracht werd lange tijd buiten het bereik van experimenten beschouwd, te oordelen naar schattingen, hebben we een botser nodig ter grootte van de Melkweg om protonen voldoende te versnellen om een meetbaar aantal gravitonen te produceren (kwanta van het zwaartekrachtveld), of we hebben een detector ter grootte van Jupiter nodig om gravitonen te meten die overal worden geboren. Niet onmogelijk, maar zeker niet iets dat in de nabije toekomst verwacht mag worden.
Promotie video:
Dergelijke argumenten hebben echter alleen betrekking op de directe detectie van gravitonen, en dit is niet de enige manifestatie van de effecten van kwantumzwaartekracht. Er zijn veel andere waarneembare gevolgen die kwantumzwaartekracht kan veroorzaken, waarvan we sommige al hebben gezocht en waarvan we sommige van plan zijn te zoeken. Tot dusverre zijn onze resultaten puur negatief. Maar zelfs negatieve zijn waardevol, omdat ze ons vertellen welke eigenschappen de theorie die we nodig hebben misschien niet heeft.
Een toetsbaar gevolg van kwantumzwaartekracht kan bijvoorbeeld het breken van de symmetrie zijn, fundamenteel voor de speciale en algemene relativiteitstheorie, bekend als Lorentz-invariantie. Interessant is dat de schendingen van Lorentz-invariantie niet noodzakelijk klein zijn, zelfs niet als ze worden gecreëerd op afstanden die te klein zijn om te worden waargenomen. Symmetriebreking daarentegen zal met ongelooflijke precisie door de reacties van vele deeltjes met beschikbare energieën sijpelen. Er zijn nog geen aanwijzingen gevonden voor schendingen van de Lorentz-invariantie. Het lijkt misschien schaars, maar wetende dat deze symmetrie met de hoogste graad van nauwkeurigheid in kwantumzwaartekracht moet worden waargenomen, kun je dit gebruiken bij het ontwikkelen van een theorie.
Andere testbare gevolgen zouden binnen het zwakke veld van kwantumzwaartekracht kunnen liggen. In het vroege heelal hadden kwantumfluctuaties in ruimte-tijd moeten leiden tot temperatuurfluctuaties in materie. Deze temperatuurschommelingen worden tegenwoordig waargenomen en worden afgedrukt in de achtergrondstraling (CMB). De afdruk van "primaire zwaartekrachtgolven" op de kosmische microgolfachtergrond is nog niet gemeten (LIGO is er niet gevoelig genoeg voor), maar zal naar verwachting binnen een tot twee ordes van grootte liggen van de huidige meetnauwkeurigheid. Veel experimentele samenwerkingen zijn op zoek naar dit signaal, waaronder BICEP, POLARBEAR en het Planck Observatorium.
Een andere manier om de limiet van het zwakke veld van kwantumzwaartekracht te testen, is door te proberen grote objecten in een kwantumsuperpositie te introduceren: objecten die veel zwaarder zijn dan elementaire deeltjes. Dit zal het zwaartekrachtveld sterker maken en mogelijk zijn kwantumgedrag testen. De zwaarste objecten die we tot nu toe in een superpositie hebben weten te binden, wegen ongeveer een nanogram, wat een aantal ordes van grootte minder is dan nodig is om het zwaartekrachtveld te meten. Maar onlangs heeft een groep wetenschappers in Wenen een experimenteel schema voorgesteld waarmee we het zwaartekrachtveld veel nauwkeuriger kunnen meten dan voorheen. We naderen langzaam het kwantumzwaartekrachtbereik.
(Houd er rekening mee dat deze term verschilt in de astrofysica, waar 'sterke zwaartekracht' soms wordt gebruikt om naar iets anders te verwijzen, zoals grote afwijkingen van de Newtoniaanse zwaartekracht die kunnen worden gevonden in de buurt van de gebeurtenishorizon van een zwart gat.)
De sterke effecten van kwantumzwaartekracht kunnen ook een afdruk (anders dan zwakke veldeffecten) in CMB (relictstraling) achterlaten, met name in het soort correlaties dat tussen fluctuaties kan worden gevonden. Er zijn verschillende modellen van snaarkosmologie en kwantumluskosmologie die waarneembare gevolgen bestuderen, en voorgestelde experimenten zoals EUCLID, PRISM en vervolgens WFIRST kunnen vroege indicaties vinden.
Er is nog een interessant idee, gebaseerd op een recente theoretische bevinding, volgens welke de gravitationele ineenstorting van materie niet altijd een zwart gat vormt - het hele systeem zal de vorming van de horizon vermijden. Als dat zo is, geeft het resterende object ons een beeld van de regio met kwantumzwaartekrachteffecten. Het is echter niet duidelijk naar welke signalen we moeten zoeken om een dergelijk object te vinden, maar dit is een veelbelovende zoekrichting.
Er zijn veel ideeën. Een grote klasse van modellen houdt zich bezig met de mogelijkheid dat kwantumzwaartekrachteffecten de ruimtetijd de eigenschappen van een medium verlenen. Dit kan leiden tot lichtverspreiding, dubbele breking, decoherentie of ondoorzichtigheid van lege ruimtes. Je kunt niet alles in één keer vertellen. Maar er is ongetwijfeld nog veel werk aan de winkel. De zoektocht naar bewijs dat zwaartekracht inderdaad een kwantumkracht is, is al begonnen.
ILYA KHEL