Mensen nemen ruimte altijd als vanzelfsprekend aan. Het is tenslotte gewoon een leegte - een container voor al het andere. De tijd tikt ook continu door. Maar natuurkundigen zijn zulke mensen, ze moeten altijd iets gecompliceerder maken. Ze probeerden regelmatig hun theorieën te verenigen en ontdekten dat ruimte en tijd samenvloeien in een systeem dat zo complex is dat een gewoon persoon het niet kan begrijpen.
Albert Einstein realiseerde zich wat ons te wachten stond in november 1916. Een jaar eerder formuleerde hij de algemene relativiteitstheorie, volgens welke zwaartekracht geen kracht is die zich voortplant in de ruimte, maar een eigenschap is van ruimte-tijd zelf. Wanneer je de bal de lucht in gooit, vliegt hij in een boog en keert terug naar de grond, omdat de aarde de ruimte-tijd eromheen buigt, zodat de paden van de bal en de grond elkaar weer kruisen. In een brief aan een vriend besprak Einstein het probleem van het samenvoegen van de algemene relativiteitstheorie met zijn andere geesteskind, de ontluikende theorie van de kwantummechanica. Maar zijn wiskundige vaardigheden waren gewoon niet genoeg. 'Wat heb ik mezelf hiermee gemarteld!', Schreef hij.
Einstein heeft het in dit opzicht nergens gehaald. Zelfs vandaag de dag lijkt het idee om een kwantumtheorie van zwaartekracht te creëren extreem ver weg. De geschillen verbergen een belangrijke waarheid: competitieve benaderingen allemaal zoals men zegt dat de ruimte ergens dieper wordt geboren - en dit idee breekt het wetenschappelijke en filosofische begrip ervan dat al 2500 jaar bestaat.
Door het zwarte gat
Een gewone koelkastmagneet illustreert perfect het probleem waarmee natuurkundigen worden geconfronteerd. Hij kan een stuk papier spelden en de zwaartekracht van de hele aarde weerstaan. De zwaartekracht is zwakker dan magnetisme of andere elektrische of nucleaire kracht. Welke kwantumeffecten er ook achter zitten, ze zullen zwakker zijn. Het enige tastbare bewijs dat deze processen überhaupt plaatsvinden, is het bonte beeld van materie in het vroegste universum - waarvan wordt aangenomen dat het is getrokken door de kwantumfluctuaties van het zwaartekrachtveld.
Zwarte gaten zijn de beste manier om kwantumzwaartekracht te testen. "Dit is het meest geschikte om mee te experimenteren", zegt Ted Jacobson van de University of Maryland, College Park. Hij en andere theoretici bestuderen zwarte gaten als theoretische draaipunten. Wat gebeurt er als je vergelijkingen neemt die perfect werken in een laboratoriumomgeving en ze in de meest extreme situaties plaatst die je je kunt voorstellen? Zullen er enkele subtiele gebreken zijn?
De algemene theorie voorspelt relatief dat materie die in een zwart gat valt, oneindig zal samentrekken naarmate het het centrum nadert - een wiskundig doodlopende weg die een singulariteit wordt genoemd. Theoretici kunnen zich het traject van een object voorbij de singulariteit niet voorstellen; alle lijnen komen erin samen. Zelfs erover praten als een plaats is problematisch, omdat de ruimte-tijd zelf, die de locatie van de singulariteit bepaalt, ophoudt te bestaan. Wetenschappers hopen dat de kwantumtheorie ons een microscoop kan bieden waarmee we dit oneindig kleine punt van oneindige dichtheid kunnen onderzoeken en begrijpen wat er gebeurt met de materie die erin valt.
Promotie video:
Aan de rand van een zwart gat is materie nog niet zo samengedrukt, is de zwaartekracht zwakker en, voor zover we weten, zouden alle natuurkundige wetten moeten werken. En het is des te ontmoedigender dat ze niet werken. Het zwarte gat wordt beperkt door de waarnemingshorizon, het point of no return: materie die de waarnemingshorizon passeert, zal niet terugkeren. De afdaling is onomkeerbaar. Dit is een probleem omdat alle bekende wetten van de fundamentele fysica, inclusief kwantummechanische, omkeerbaar zijn. In principe zou je in theorie de beweging moeten kunnen omkeren en alle deeltjes die je had, kunnen herstellen.
Aan het eind van de 19e eeuw kwamen natuurkundigen voor een soortgelijk raadsel te staan toen ze keken naar de wiskunde van een 'zwart lichaam', geïdealiseerd als een holte gevuld met elektromagnetische straling. De theorie van het elektromagnetisme van James Clerk Maxwell voorspelde dat een dergelijk object alle straling die erop valt zou absorberen en nooit in evenwicht zou komen met de omringende materie. "Het kan een oneindige hoeveelheid warmte absorberen uit een reservoir dat op een constante temperatuur wordt gehouden", legt Raphael Sorkin van het Perimeter Institute for Theorytic Physics in Ontario uit. Vanuit thermisch oogpunt heeft het een temperatuur van het absolute nulpunt. Deze bevinding is in tegenspraak met de waarnemingen van echte zwarte lichamen (zoals een oven). Voortbordurend op de theorie van Max Planck, toonde Einstein aan dat een zwart lichaam thermisch evenwicht kan bereiken,als de stralingsenergie komt in discrete eenheden, of quanta.
Al bijna een halve eeuw proberen theoretisch natuurkundigen een vergelijkbare oplossing voor zwarte gaten te bereiken. Wijlen Stephen Hawking van de Universiteit van Cambridge zette halverwege de jaren zeventig een belangrijke stap door kwantumtheorie toe te passen op het stralingsveld rond zwarte gaten en aan te tonen dat ze temperaturen hebben die niet nul zijn. Daarom kunnen ze niet alleen energie opnemen, maar ook afgeven. Hoewel zijn analyse zwarte gaten in het rijk van de thermodynamica schroefde, verergerde hij ook het probleem van onomkeerbaarheid. Uitgaande straling wordt uitgezonden aan de rand van het zwarte gat en draagt geen informatie van binnenuit. Dit is willekeurige warmte-energie. Als je het proces omkeert en deze energie naar een zwart gat voert, komt er niets boven water: je krijgt gewoon nog meer warmte. En het is onmogelijk voor te stellen dat er iets in het zwarte gat zit dat gewoon vastzit, want als het zwarte gat straling uitzendt, trekt het samen en,verdwijnt uiteindelijk volgens de analyse van Hawking.
Dit probleem wordt de informatieparadox genoemd, omdat een zwart gat informatie vernietigt over deeltjes die erin zijn terechtgekomen en die je zou kunnen proberen te herstellen. Als de fysica van zwarte gaten echt onomkeerbaar is, moet iets informatie weer naar buiten dragen, en ons concept van ruimtetijd moet misschien worden aangepast om aan dat feit tegemoet te komen.
Ruimte-tijd-atomen
Warmte is de willekeurige beweging van microscopisch kleine deeltjes zoals gasmoleculen. Omdat zwarte gaten kunnen opwarmen en afkoelen, zou het redelijk zijn om aan te nemen dat ze uit onderdelen bestaan - of, meer in het algemeen, uit microscopisch kleine structuren. En aangezien een zwart gat gewoon lege ruimte is (volgens de algemene relativiteitstheorie gaat materie die in een zwart gat valt, door de waarnemingshorizon zonder te stoppen), moeten delen van een zwart gat delen van de ruimte zelf zijn. En onder de bedrieglijke eenvoud van platte, lege ruimte is er een enorme complexiteit.
Zelfs theorieën die de traditionele kijk op ruimte-tijd moesten behouden, zijn tot de conclusie gekomen dat er iets op de loer ligt onder dit gladde oppervlak. Zo probeerde Steven Weinberg, nu aan de Universiteit van Texas in Austin, eind jaren zeventig de zwaartekracht op dezelfde manier te beschrijven als andere natuurkrachten. En ik ontdekte dat de ruimte-tijd op de kleinste schaal radicaal is gewijzigd.
Natuurkundigen visualiseerden de microscopische ruimte oorspronkelijk als een mozaïek van kleine stukjes ruimte. Als je ze vergroot tot de schaal van Planck, onmetelijk klein van 10-35 meter, denken wetenschappers dat je zoiets als een schaakbord kunt zien. Of misschien niet. Enerzijds zal zo'n netwerk van lijnen van schaakruimte bepaalde richtingen verkiezen boven andere, waardoor asymmetrieën ontstaan die in tegenspraak zijn met de speciale relativiteitstheorie. Licht van verschillende kleuren zal bijvoorbeeld met verschillende snelheden bewegen, zoals in een glazen prisma dat licht breekt in de samenstellende kleuren. En hoewel manifestaties op kleine schaal heel moeilijk op te merken zullen zijn, zullen schendingen van de algemene relativiteitstheorie eerlijk gezegd duidelijk zijn.
De thermodynamica van zwarte gaten doet twijfels rijzen over het beeld van de ruimte als een eenvoudig mozaïek. Door het thermische gedrag van elk systeem te meten, kunt u de onderdelen ervan tellen, althans in principe. Laat energie vrij en kijk naar de thermometer. Als de kolom is opgestegen, moet de energie over relatief weinig moleculen worden verdeeld. In feite meet u de entropie van een systeem, dat de microscopische complexiteit vertegenwoordigt.
Doe je dit met een gewone stof, dan neemt het aantal moleculen toe met het volume van het materiaal. Zo zou het in ieder geval moeten zijn: als je de straal van een strandbal 10 keer vergroot, passen er 1000 keer meer moleculen in. Maar als je de straal van een zwart gat 10 keer vergroot, zal het aantal moleculen erin slechts 100 keer toenemen. Het aantal moleculen waaruit het bestaat, moet niet in verhouding staan tot het volume, maar met het oppervlak. Een zwart gat lijkt misschien driedimensionaal, maar het gedraagt zich als een tweedimensionaal object.
Dit vreemde effect wordt het holografische principe genoemd, omdat het lijkt op een hologram, dat we zien als een driedimensionaal object, maar bij nadere beschouwing een afbeelding blijkt te zijn die wordt geproduceerd door een tweedimensionale film. Als het holografische principe rekening houdt met de microscopisch kleine componenten van de ruimte en de inhoud ervan - wat natuurkundigen toegeven, maar niet alle - zal het niet voldoende zijn om ruimte te creëren door simpelweg de kleinste stukjes ervan met elkaar te verbinden.
Verwarde web
Wetenschappers hebben de afgelopen jaren ingezien dat er sprake moet zijn van kwantumverstrengeling. Deze diepe eigenschap van de kwantummechanica, een buitengewoon krachtig type verbinding, lijkt veel primitiever dan de ruimte. Onderzoekers kunnen bijvoorbeeld twee deeltjes maken die in tegengestelde richting vliegen. Als ze verstrikt raken, blijven ze verbonden, ongeacht de afstand die ze van elkaar scheiden.
Als mensen het traditioneel hadden over 'kwantumzwaartekracht', bedoelden ze kwantumdiscretie, kwantumfluctuaties en alle andere kwantumeffecten - niet kwantumverstrengeling. Alles is veranderd dankzij zwarte gaten. Tijdens de levensduur van een zwart gat komen verstrengelde deeltjes erin, maar wanneer het zwarte gat volledig verdampt, blijven de partners buiten het zwarte gat verstrengeld - met niets. "Hawking had het een verstrengelingsprobleem moeten noemen", zegt Samir Mathur van de Ohio State University.
Zelfs in een vacuüm, waar geen deeltjes zijn, zijn elektromagnetische en andere velden intern verstrengeld. Als u het veld op twee verschillende locaties meet, zullen uw metingen enigszins fluctueren, maar blijven ze in coördinatie. Als u het gebied in twee delen verdeelt, zullen deze delen in correlatie zijn, en de mate van correlatie hangt af van de geometrische eigenschap die ze hebben: het interfacegebied. In 1995 verklaarde Jacobson dat verstrengeling een verband legt tussen de aanwezigheid van materie en de geometrie van ruimte-tijd - wat betekent dat het de wet van de zwaartekracht zou kunnen verklaren. "Meer verstrengeling betekent minder zwaartekracht", zei hij.
Sommige benaderingen van kwantumzwaartekracht - met name de snaartheorie - zien verstrengeling als een belangrijke hoeksteen. De snaartheorie past het holografische principe niet alleen toe op zwarte gaten, maar op het universum als geheel, en biedt een recept voor het creëren van ruimte - of in ieder geval een deel ervan. De oorspronkelijke tweedimensionale ruimte zal dienen als de grens van een grotere volumetrische ruimte. En verstrengeling zal de volumetrische ruimte binden tot een enkel en continu geheel.
Mark Van Raamsdonk van de University of British Columbia gaf in 2009 een elegante verklaring voor dit proces. Stel dat de velden aan de grens niet met elkaar verstrengeld zijn - ze vormen een paar systemen zonder correlatie. Ze komen overeen met twee afzonderlijke universums, waartussen geen communicatie mogelijk is. Wanneer de systemen verstrengeld raken, ontstaat er een soort tunnel, een wormgat, tussen deze universums en kunnen ruimteschepen ertussen bewegen. Hoe hoger de mate van verstrengeling, hoe korter de lengte van het wormgat. De universums versmelten tot één en zijn niet langer twee gescheiden. "De komst van de grote ruimtetijd brengt de verstrengeling direct in verband met deze vrijheidsgraden van veldentheorie", zegt Van Raamsdonck. Als we correlaties zien in elektromagnetische en andere velden, zijn ze het overblijfsel van de samenhang die de ruimte met elkaar verbindt.
Veel andere kenmerken van de ruimte kunnen naast verbondenheid ook verstrengeling weerspiegelen. Van Raamsdonk en Brian Swingle van de Universiteit van Maryland stellen dat de alomtegenwoordigheid van verstrengeling de universaliteit van zwaartekracht verklaart - dat het alle objecten beïnvloedt en overal doordringt. Voor zwarte gaten geloven Leonard Susskind en Juan Maldacena dat de verstrengeling tussen het zwarte gat en de straling die het afgeeft, een wormgat creëert - de zwarte ingang van het zwarte gat. Zo blijft informatie behouden en is de fysica van een zwart gat onomkeerbaar.
Hoewel deze snaartheorie-ideeën alleen werken voor specifieke geometrieën en slechts één dimensie van de ruimte reconstrueren, hebben sommige wetenschappers geprobeerd de ruimte vanuit het niets te verklaren.
In de natuurkunde, en in het algemeen in de natuurwetenschappen, vormen ruimte en tijd de basis voor alle theorieën. Maar we merken ruimte-tijd nooit direct op. We leiden het bestaan ervan eerder af uit onze dagelijkse ervaring. We nemen aan dat de meest logische verklaring voor de verschijnselen die we zien een mechanisme is dat functioneert in ruimte-tijd. Maar kwantumzwaartekracht vertelt ons dat niet alle verschijnselen perfect in zo'n wereldbeeld passen. Natuurkundigen moeten begrijpen wat nog dieper is, de ins en outs van de ruimte, de keerzijde van een gladde spiegel. Als ze slagen, zullen we een einde maken aan de revolutie die Einstein meer dan een eeuw geleden begon.
Ilya Khel
