In 1935, toen de kwantummechanica en Einsteins algemene relativiteitstheorie nog heel jong waren, deed de niet zo beroemde Sovjetfysicus Matvei Bronstein op 28-jarige leeftijd de eerste gedetailleerde studie over de verzoening van deze twee theorieën in de kwantumtheorie van de zwaartekracht. Dit, 'misschien wel de theorie van de hele wereld', zoals Bronstein schreef, zou Einsteins klassieke beschrijving van zwaartekracht, waarin het wordt gezien als krommen in het ruimte-tijd continuüm, kunnen vervangen en het in kwantumtaal kunnen herschrijven, net als alle andere fysica.
Bronstein ontdekte hoe hij de zwaartekracht moest beschrijven in termen van gekwantiseerde deeltjes, nu gravitonen genoemd, maar alleen als de zwaartekracht zwak is - dat wil zeggen (in de algemene relativiteitstheorie) wanneer de ruimtetijd zo zwak gekromd is dat hij praktisch vlak is. Als de zwaartekracht sterk is, "is de situatie compleet anders", schreef de wetenschapper. "Zonder een grondige herziening van klassieke concepten lijkt het bijna onmogelijk om op dit gebied een kwantumtheorie van zwaartekracht te presenteren."
Zijn woorden waren profetisch. 83 jaar later proberen natuurkundigen nog steeds te begrijpen hoe ruimtetijdkromming zich manifesteert op macroscopische schaal, als gevolg van het meer fundamentele en zogenaamd kwantumbeeld van de zwaartekracht; misschien wel de diepste vraag in de natuurkunde. Misschien, als er een kans was, zou Bronsteins heldere hoofd het proces van deze zoektocht versnellen. Naast kwantumzwaartekracht leverde hij ook bijdragen aan astrofysica en kosmologie, halfgeleidertheorie, kwantumelektrodynamica en schreef hij verschillende boeken voor kinderen. In 1938 viel hij onder stalinistische repressie en werd hij op 31-jarige leeftijd geëxecuteerd.
De zoektocht naar een complete theorie van kwantumzwaartekracht wordt bemoeilijkt door het feit dat de kwantumeigenschappen van zwaartekracht zich nooit in de praktijk manifesteren. Natuurkundigen zien niet hoe Einsteins beschrijving van een glad ruimte-tijd continuüm wordt geschonden, of de Bronstein-kwantumbenadering ervan in een licht gebogen toestand.
Het probleem ligt in de extreme zwakte van de zwaartekracht. Terwijl gekwantiseerde deeltjes die sterke, zwakke en elektromagnetische krachten overbrengen zo sterk zijn dat ze materie stevig in atomen binden en letterlijk onder een vergrootglas kunnen worden onderzocht, zijn gravitonen afzonderlijk zo zwak dat laboratoria geen kans hebben om ze te detecteren. Om met een hoge mate van waarschijnlijkheid een graviton te kunnen vangen, moet de deeltjesdetector zo groot en massief zijn dat hij ineenstort tot een zwart gat. Deze zwakte verklaart waarom astronomische massa-accumulaties nodig zijn om andere massieve lichamen door zwaartekracht te beïnvloeden, en waarom we zwaartekrachtseffecten zien op enorme schaal.
Dit is niet alles. Het universum lijkt te zijn onderworpen aan een soort kosmische censuur: gebieden met een sterke zwaartekracht - waar de ruimte-tijdkrommen zo scherp zijn dat de vergelijkingen van Einstein mislukken, en de kwantum-aard van zwaartekracht en ruimte-tijd moet worden onthuld - verschuilen zich altijd achter de horizon van zwarte gaten.
"Zelfs een paar jaar geleden was er een algemene consensus dat het hoogstwaarschijnlijk onmogelijk was om de kwantisering van het zwaartekrachtveld op enigerlei wijze te meten", zegt Igor Pikovsky, een theoretisch fysicus aan de Harvard University.
Promotie video:
En hier zijn enkele recente artikelen gepubliceerd in Physical Review Letters die de situatie hebben veranderd. Deze artikelen beweren dat het mogelijk is om tot kwantumzwaartekracht te komen - zelfs zonder er iets van af te weten. De papers, geschreven door Sugato Bose van University College London en Chiara Marletto en Vlatko Vedral van de University of Oxford, stellen een technisch uitdagend maar haalbaar experiment voor dat zou kunnen bevestigen dat zwaartekracht een kwantumkracht is zoals iedereen, zonder dat graviton moet worden gedetecteerd. Miles Blencoe, een kwantumfysicus aan het Dartmouth College die niet bij het werk betrokken was, zegt dat een dergelijk experiment een duidelijk spoor van onzichtbare kwantumzwaartekracht zou kunnen onthullen - de 'glimlach van de Cheshire Cat'.
Het voorgestelde experiment zal bepalen of twee objecten - de Bose-groep is van plan om een paar microdiamanten te gebruiken - kwantummechanisch met elkaar verstrikt raken in het proces van wederzijdse aantrekkingskracht. Verstrengeling is een kwantumfenomeen waarbij deeltjes onlosmakelijk met elkaar verweven raken en een enkele fysieke beschrijving delen die hun mogelijke gecombineerde toestanden definieert. (Het naast elkaar bestaan van verschillende mogelijke toestanden wordt "superpositie" genoemd en definieert een kwantumsysteem). Er kan bijvoorbeeld een paar verstrengelde deeltjes bestaan in een superpositie, waarin deeltje A van onder naar boven zal draaien met een kans van 50% en B - van boven naar beneden, en vice versa met een kans van 50%. Niemand weet van tevoren welk resultaat je krijgt als je de richting van de rotatie van deeltjes meet, maar dat kun je zeker wetendat ze hetzelfde zullen hebben.
De auteurs stellen dat twee objecten in het voorgestelde experiment alleen op deze manier verstrengeld kunnen raken als de tussen hen inwerkende kracht - in dit geval de zwaartekracht - een kwantuminteractie is die wordt gemedieerd door gravitonen die kwantumsuperposities kunnen ondersteunen. "Als een experiment wordt uitgevoerd en er verstrengeling wordt verkregen, kan volgens het artikel worden geconcludeerd dat de zwaartekracht wordt gekwantiseerd", legt Blenkow uit.
Verstrik de diamant
Kwantumzwaartekracht is zo subtiel dat sommige wetenschappers het bestaan ervan in twijfel hebben getrokken. De bekende wiskundige en natuurkundige Freeman Dyson, 94, heeft sinds 2001 betoogd dat het universum een soort 'dualistische' beschrijving kan ondersteunen, waarin 'het zwaartekrachtveld dat wordt beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie een puur klassiek veld zal zijn zonder enig kwantumgedrag'. en alle materie in dit gladde ruimte-tijd continuüm zal worden gekwantiseerd door deeltjes die de regels van waarschijnlijkheid gehoorzamen.
Dyson, die hielp bij de ontwikkeling van kwantumelektrodynamica (de theorie van de interacties tussen materie en licht) en emeritus hoogleraar is aan het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, gelooft niet dat kwantumzwaartekracht nodig is om de onbereikbare diepten van zwarte gaten te beschrijven. En hij gelooft ook dat het detecteren van een hypothetisch graviton in principe onmogelijk kan zijn. In dit geval, zegt hij, zal kwantumzwaartekracht metafysisch zijn, niet fysiek.
Hij is niet de enige scepticus. De beroemde Engelse natuurkundige Sir Roger Penrose en de Hongaarse wetenschapper Lajos Diosi namen onafhankelijk van elkaar aan dat ruimte-tijd superpositie niet kon ondersteunen. Ze geloven dat de gladde, solide, fundamenteel klassieke aard ervan voorkomt dat het tegelijkertijd in twee mogelijke paden buigt - en het is deze stijfheid die leidt tot de ineenstorting van superposities van kwantumsystemen zoals elektronen en fotonen. Volgens hen laat "gravitationele decoherentie" toe dat er één enkele, solide, klassieke realiteit ontstaat die op macroscopische schaal kan worden gevoeld.
Het vinden van een "glimlach" van de kwantumzwaartekracht lijkt het argument van Dyson te weerleggen. Het doodt ook de theorie van gravitationele decoherentie door aan te tonen dat zwaartekracht en ruimtetijd kwantumsuperposities ondersteunen.
De voorstellen van Bose en Marletto verschenen gelijktijdig en volledig per ongeluk, hoewel experts opmerken dat ze de tijdgeest weerspiegelen. Experimentele kwantumfysica-laboratoria over de hele wereld plaatsen steeds grotere microscopisch kleine objecten in kwantumsuperposities en optimaliseren testprotocollen voor verstrengeling van twee kwantumsystemen. Het voorgestelde experiment zou deze procedures moeten combineren, terwijl verdere verbeteringen in schaal en gevoeligheid nodig zijn; het kan tien jaar duren. "Maar er is geen fysieke doodlopende weg", zegt Pikovsky, die ook onderzoekt hoe laboratoriumexperimenten zwaartekrachtverschijnselen kunnen onderzoeken. "Ik denk dat het moeilijk is, maar niet onmogelijk."
Dit plan wordt in meer detail beschreven in het werk van Bose et al. Ocean's elf experts voor verschillende fasen van het voorstel. In zijn laboratorium aan de Universiteit van Warwick werkt co-auteur Gavin Morley bijvoorbeeld aan de eerste fase en probeert hij op twee plaatsen een microdiamant in een kwantumsuperpositie te plaatsen. Om dit te doen, zal hij een stikstofatoom in een microdiamant omsluiten, naast een vacature in de diamantstructuur (het zogenaamde NV-centrum, of een stikstofgesubstitueerde vacature in een diamant), en deze opladen met een microgolfpuls. Een elektron dat rond het NV-centrum draait, absorbeert tegelijkertijd licht en niet, en het systeem gaat in een kwantumsuperpositie van twee draairichtingen - op en neer - als een top, die met een bepaalde waarschijnlijkheid met de klok mee en met een bepaalde waarschijnlijkheid tegen de klok in draait. Een microdiamant geladen met deze superpositie-spin wordt blootgesteld aan een magnetisch veld,waardoor de bovenste spin naar links beweegt en de onderste spin naar rechts. De diamant zelf is opgesplitst in een superpositie van twee trajecten.
In een volledig experiment moeten wetenschappers dit allemaal doen met twee diamanten - bijvoorbeeld rood en blauw - naast elkaar in een ultrakoud vacuüm. Wanneer de val waarmee ze worden vastgehouden wordt uitgeschakeld, vallen twee microdiamanten, elk in een superpositie van twee posities, verticaal in een vacuüm. Als de diamanten vallen, zullen ze de zwaartekracht van elk van hen voelen. Hoe sterk zal hun zwaartekracht zijn?
Als zwaartekracht een kwantuminteractie is, is het antwoord: afhankelijk van wat. Elk onderdeel van de superpositie van een blauwe diamant zal een sterkere of zwakkere aantrekkingskracht op de rode diamant ervaren, afhankelijk van of deze laatste zich in de superpositietak bevindt die dichterbij of verder weg is. En de zwaartekracht die elk onderdeel van de superpositie van een rode diamant zal voelen, is eveneens afhankelijk van de toestand van de blauwe diamant.
In elk geval beïnvloeden verschillende graden van zwaartekracht de evoluerende componenten van diamanten superposities. Twee diamanten worden onderling afhankelijk omdat hun toestand alleen in combinatie kan worden bepaald - als dit betekent dat - en daarom zullen uiteindelijk de richtingen van de spins van de twee systemen van NV-centra correleren.
Nadat de microdiamanten drie seconden naast elkaar zijn gevallen - genoeg om verstrikt te raken in de zwaartekracht - gaan ze door een ander magnetisch veld, dat de takken van elke superpositie opnieuw zal uitlijnen. De laatste stap in het experiment is het protocol voor verstrengeling van getuigen dat is ontwikkeld door de Deense natuurkundige Barbara Teral en anderen: blauwe en rode diamanten komen binnen in verschillende apparaten die de draairichtingen van NV-centrumsystemen meten. (Meting leidt tot het ineenstorten van superposities in bepaalde staten). Vervolgens worden de twee resultaten vergeleken. Door het experiment keer op keer uit te voeren en meerdere paren spinmetingen te vergelijken, kunnen wetenschappers bepalen of de spins van twee kwantumsystemen feitelijk vaker gecorreleerd waren dan door een bovengrens te definiëren voor objecten die niet kwantummechanisch verstrengeld zijn. Als,de zwaartekracht verstrengelt diamanten en kan de superpositie behouden.
"Wat interessant is aan dit experiment, is dat je niet hoeft te weten wat kwantumtheorie is", zegt Blenkow. "Het enige dat nodig is, is beweren dat er een kwantumaspect in dit gebied is dat wordt gemedieerd door de kracht tussen de twee deeltjes."
Er zijn veel technische problemen. Het grootste object dat eerder op twee plaatsen is geplaatst, is een molecuul van 800 atomen. Elke microdiamant bevat meer dan 100 miljard koolstofatomen - genoeg om een tastbare zwaartekracht op te bouwen. Het uitpakken van de kwantummechanische aard ervan vereist lage temperaturen, een diep vacuüm en nauwkeurige controle. "Er komt veel werk kijken bij het opzetten van de eerste superpositie en triggering", zegt Peter Barker, een lid van een experimenteel team dat laserkoeling en microdiamant-capture-technieken verbetert. Als het zou kunnen met één diamant, voegt Bose eraan toe, "de tweede zal geen probleem zijn."
Wat maakt zwaartekracht uniek?
Kwantumzwaartekrachtonderzoekers twijfelen er niet aan dat zwaartekracht een kwantuminteractie is die verstrengeling kan veroorzaken. Natuurlijk is de zwaartekracht enigszins uniek en valt er nog veel te leren over de oorsprong van ruimte en tijd, maar de kwantummechanica moet zeker een rol spelen, zeggen wetenschappers. "Nou, wat is het punt in een theorie waarin de meeste fysica kwantum is en de zwaartekracht klassiek", zegt Daniel Harlow, een kwantumzwaartekrachtonderzoeker aan het MIT. De theoretische argumenten tegen gemengde kwantum-klassieke modellen zijn erg sterk (hoewel niet overtuigend).
Aan de andere kant hadden theoretici het eerder bij het verkeerde eind. 'Als je het kunt controleren, waarom niet? Als het deze mensen het zwijgen oplegt die de kwantumheid van de zwaartekracht in twijfel trekken, zou het geweldig zijn,”zei Harlow.
Na het lezen van de artikelen schreef Dyson: "Het voorgestelde experiment is ongetwijfeld van groot belang en moet worden uitgevoerd onder de omstandigheden van een echt kwantumsysteem." Hij merkt echter op dat de denkrichting van de auteurs over kwantumvelden anders is dan die van hem. “Het is mij niet duidelijk of dit experiment de vraag naar het bestaan van kwantumzwaartekracht kan oplossen. De vraag die ik stelde - of we een apart graviton waarnemen - is een andere vraag, en het kan een ander antwoord hebben."
De gedachtegang van Bose, Marletto en hun collega's over gekwantiseerde zwaartekracht komt voort uit het werk van Bronstein in 1935. (Dyson noemde het werk van Bronstein "mooi werk" dat hij nog niet eerder had gezien). In het bijzonder toonde Bronstein aan dat de zwakke zwaartekracht die wordt gegenereerd door een lage massa, kan worden benaderd door de zwaartekrachtwet van Newton. (Dit is de kracht die werkt tussen superposities van microdiamanten). Volgens Blencoe zijn berekeningen van zwakke gekwantiseerde zwaartekracht niet bijzonder uitgevoerd, hoewel ze zeker relevanter zijn dan de fysica van zwarte gaten of de oerknal. Hij hoopt dat het nieuwe experimentele voorstel theoretici zal aanmoedigen om te zoeken naar subtiele verfijningen van de Newtoniaanse benadering, die toekomstige tafelbladexperimenten zouden kunnen proberen te testen.
Leonard Susskind, een bekende kwantumzwaartekracht en snaartheoreticus aan de Stanford University, zag de waarde van het voorgestelde experiment in omdat "het waarnemingen van de zwaartekracht over een nieuwe reeks van massa's en afstanden verschaft". Maar hij en andere onderzoekers benadrukten dat microdiamanten niets kunnen onthullen over een complete theorie van kwantumzwaartekracht of ruimtetijd. Hij en zijn collega's willen graag weten wat er in het midden van een zwart gat en ten tijde van de oerknal gebeurt.
Misschien is een van de aanwijzingen waarom zwaartekracht zo veel moeilijker te kwantificeren is dan wat dan ook, dat andere natuurkrachten een zogenaamde 'lokaliteit' hebben: kwantumdeeltjes in één gebied van het veld (fotonen in een elektromagnetisch veld, bijvoorbeeld) zijn 'onafhankelijk van andere fysieke entiteiten in een ander gebied van de ruimte”, zegt Mark van Raamsdonk, een kwantumzwaartekrachttheoreticus aan de University of British Columbia. "Maar er is veel theoretisch bewijs dat de zwaartekracht niet zo werkt."
In de beste zandmodellen van kwantumzwaartekracht (met vereenvoudigde ruimte-tijdgeometrieën) is het onmogelijk aan te nemen dat het tape-achtige ruimte-tijdweefsel zich splitst in onafhankelijke driedimensionale stukken, zegt van Raamsdonk. In plaats daarvan suggereert de moderne theorie dat de onderliggende, fundamentele bestanddelen van de ruimte 'tamelijk tweedimensionaal georganiseerd' zijn. Het weefsel van ruimte-tijd kan zijn als een hologram of een videogame. "Hoewel de afbeelding driedimensionaal is, wordt de informatie opgeslagen op een tweedimensionale computerchip." In dit geval zal de driedimensionale wereld een illusie zijn in de zin dat de verschillende delen ervan niet zo onafhankelijk zijn. Net als bij een videogame kunnen een paar bits op een tweedimensionale chip de globale functies van het hele speluniversum coderen.
En dit verschil is van belang als je probeert een kwantumtheorie van zwaartekracht te creëren. De gebruikelijke benadering om iets te kwantiseren, is door de onafhankelijke delen ervan te definiëren - deeltjes bijvoorbeeld - en er vervolgens kwantummechanica op toe te passen. Maar als je de juiste bestanddelen niet identificeert, krijg je de verkeerde vergelijkingen. De directe kwantisatie van driedimensionale ruimte die Bronstein wilde doen, werkt tot op zekere hoogte met een zwakke zwaartekracht, maar blijkt nutteloos wanneer de ruimtetijd sterk gekromd is.
Sommige experts zeggen dat het zien van de 'glimlach' van kwantumzwaartekracht dit soort abstracte redeneringen kan motiveren. Immers, zelfs de luidste theoretische argumenten over het bestaan van kwantumzwaartekracht worden niet ondersteund door experimenteel bewijs. Wanneer van Raamsdonk zijn onderzoek uitlegt in een colloquium van wetenschappers, zegt hij, begint het meestal met het vertellen hoe de zwaartekracht opnieuw moet worden bekeken met de kwantummechanica, omdat de klassieke beschrijving van ruimtetijd afbreekt bij zwarte gaten en de oerknal.
“Maar als je dit eenvoudige experiment doet en laat zien dat het zwaartekrachtveld in superpositie was, wordt het falen van de klassieke beschrijving duidelijk. Omdat er een experiment zal komen dat impliceert dat zwaartekracht kwantum is."
Gebaseerd op materiaal uit Quanta Magazine
Ilya Khel
