Einsteins algemene relativiteitstheorie, waarin zwaartekracht wordt geboren uit de kromming van de ruimtetijd, is opmerkelijk. Het is met een ongelooflijke nauwkeurigheid geverifieerd, in sommige gevallen tot vijftien cijfers achter de komma. Een van haar meest interessante voorspellingen was het bestaan van zwaartekrachtgolven: rimpelingen in de ruimtetijd die zich vrij voortplanten. Nog niet zo lang geleden werden deze golven opgevangen door de LIGO- en VIRGO-detectoren.
En toch zijn er veel vragen waarop we nog geen antwoord hebben. Kwantumzwaartekracht zou kunnen helpen om ze te vinden.
We weten dat de algemene relativiteitstheorie onvolledig is. Het manifesteert zich goed wanneer de kwantumeffecten van ruimte-tijd volledig onzichtbaar zijn, wat bijna altijd het geval is. Maar als de kwantumeffecten van ruimtetijd groot worden, hebben we een betere theorie nodig: een theorie van kwantumzwaartekracht.
Een illustratie van het vroege universum, bestaande uit kwantumschuim, toen kwantumfluctuaties enorm waren en zich op de kleinste schaal manifesteerden
Omdat we nog geen theorie van kwantumzwaartekracht hebben opgesteld, weten we niet wat ruimte en tijd zijn. We hebben verschillende geschikte theorieën voor kwantumzwaartekracht, maar geen ervan wordt algemeen aanvaard. Niettemin kunnen we op basis van bestaande benaderingen aannemen wat er met ruimte en tijd kan gebeuren in de theorie van de kwantumzwaartekracht. Natuurkundige Sabine Hossfender heeft tien verrassende voorbeelden verzameld.
1) In kwantumzwaartekracht zullen er wilde fluctuaties in ruimte-tijd zijn, zelfs als er geen materie is. In de kwantumwereld is het vacuüm nooit in rust, net als ruimte en tijd.
Op de kleinste kwantumschaal kan het universum worden gevuld met minuscule, microscopisch kleine zwarte gaten met een lage massa. Deze gaten kunnen op een zeer interessante manier naar binnen verbinden of uitzetten.
2) Quantum-ruimtetijd kan worden gevuld met microscopisch kleine zwarte gaten. Bovendien kan het wormgaten bevatten of kunnen infantiele universums worden geboren - als kleine belletjes die loskomen van het universum van de moeder.
Promotie video:
3) En aangezien dit een kwantumtheorie is, kan ruimtetijd het allemaal tegelijk doen. Het kan tegelijkertijd een baby-universum creëren en het niet creëren.
Het weefsel van de ruimte-tijd is misschien helemaal geen weefsel, maar bestaat uit discrete componenten, die ons alleen op grote macroscopische schaal als een continu weefsel lijken.
4) In de meeste benaderingen van kwantumzwaartekracht is ruimtetijd niet fundamenteel, maar bestaat uit iets anders. Dit kunnen strings, loops, qubits of varianten van ruimte-tijd "atomen" zijn die voorkomen in benaderingen van gecondenseerde materie. Afzonderlijke componenten kunnen alleen worden gedemonteerd met het gebruik van de hoogste energieën, veel hoger dan die waarover we op aarde beschikken.
5) Bij sommige benaderingen met gecondenseerde materie heeft ruimte-tijd de eigenschappen van een vast of vloeibaar lichaam, dat wil zeggen dat het elastisch of stroperig kan zijn. Als dit waar is, zijn de waargenomen gevolgen onvermijdelijk. Natuurkundigen zijn momenteel op zoek naar sporen van vergelijkbare effecten in zwervende deeltjes, dat wil zeggen in licht of elektronen die ons bereiken vanuit de verre ruimte.
Schematische animatie van een continue lichtstraal verstrooid door een prisma. In sommige benaderingen van kwantumzwaartekracht kan de ruimte fungeren als een verspreid medium voor licht met verschillende golflengten
6) Ruimtetijd kan invloed hebben op hoe licht er doorheen gaat. Het is mogelijk niet volledig transparant, of licht van verschillende kleuren kan met verschillende snelheden bewegen. Als kwantumruimtetijd de voortplanting van licht beïnvloedt, kan dit ook in toekomstige experimenten worden waargenomen.
7) Schommelingen in de ruimte-tijd kunnen het vermogen van licht uit verre bronnen om interferentiepatronen te creëren, vernietigen. Dit effect werd gezocht en nooit gevonden, althans in het zichtbare bereik.
Licht dat door twee dikke spleten (boven), twee dunne spleten (midden) of een dikke spleet (onder) gaat, vertoont interferentie die indicatief is voor zijn golfkarakter. Maar bij kwantumzwaartekracht zijn sommige van de verwachte interferentie-eigenschappen misschien niet mogelijk.
8) In gebieden met een sterke kromming kan tijd in ruimte veranderen. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren in zwarte gaten of in een oerknal. In dit geval kan de ons bekende ruimte-tijd met drie ruimtelijke en dimensies en één temporaal veranderen in een vierdimensionale "Euclidische" ruimte.
Het verbinden van twee verschillende plaatsen in ruimte of tijd via een wormgat blijft slechts een theoretisch idee, maar het is misschien niet alleen interessant, maar ook onvermijdelijk in kwantumzwaartekracht
Ruimtetijd kan niet-lokaal worden verbonden met kleine wormgaten die het hele universum doordringen. Dergelijke niet-lokale verbindingen moeten bestaan in alle benaderingen waarvan de onderliggende structuur niet geometrisch is, zoals een grafiek of een netwerk. Dit komt door het feit dat in dergelijke gevallen het concept van "nabijheid" niet fundamenteel zal zijn, maar impliciet en onvolmaakt, zodat verre regio's per ongeluk met elkaar kunnen worden verbonden.
10) Om de kwantumtheorie met zwaartekracht te combineren, moeten we misschien niet de zwaartekracht actualiseren, maar de kwantumtheorie zelf. Als dat het geval is, zullen de gevolgen verreikend zijn. Aangezien de kwantumtheorie de kern vormt van alle elektronische apparaten, zal herziening ervan geheel nieuwe mogelijkheden openen.
Hoewel kwantumzwaartekracht vaak als een zeer theoretisch idee wordt beschouwd, zijn er veel mogelijkheden voor experimentele verificatie. We reizen allemaal elke dag door de ruimte-tijd. Hem begrijpen kan ons leven veranderen.
Ilya Khel
