Een nieuw begrip van hoe een waarnemer de wanorde, of entropie, van een quantumobject verandert, kan ons helpen begrijpen hoe de zwaartekracht samenwerkt met het quantumrijk.
De twee basistheorieën van de natuurkunde – de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie – zijn het vaak niet met elkaar eens. Al meer dan een eeuw proberen natuurkundigen deze theorieën met elkaar te verenigen. Nu hebben onderzoekers één situatie gevonden waarin ze niet met elkaar botsen. Door vanuit dit ene voorbeeld verder te werken, kan er mogelijk een algemenere, allesomvattende theorie over het universum worden ontwikkeld.
Wanorde
Het begon allemaal met een vermoeden van quantumwetenschapper Lucas Céleri van de Federale Universiteit van Goiás in Brazilië over hoe een quantumobject wanorde opbouwt, ofwel hoe de entropie ervan verandert. Hij vermoedde dat de waarnemer die de entropie van het object meet, en de manier waarop die waarnemer zich door de ruimte en tijd beweegt, van belang zouden zijn.
Stop op mRNA-onderzoek vertraagt de ontwikkeling van goedkope medicijnen
MRNA is niet alleen een vaccintechnologie, je kunt er ook de beste en duurste medicijnen ter wereld voor iedereen betaalbaar mee maken.
Dit is al het geval in zowel de quantumfysica als in de algemene relativiteitstheorie (Einsteins theorie over zwaartekracht). Voor quantumobjecten is het onmogelijk om hun toestand met absolute zekerheid te beschrijven, totdat een waarnemer ermee interacteert. In de algemene relativiteitstheorie zien verschillende waarnemers verschillende tijden op hun respectieve klokken, afhankelijk van waar ze zich in de ruimtetijd bevinden, omdat de ruimtetijd gekromd is en dit de tijd beïnvloedt. Céleri en zijn collega’s hebben nu entropie aan dit verhaal toegevoegd. Zo ontdekten ze dat ook die afhankelijk is van de waarnemer.
Beweging door de ruimtetijd
De onderzoekers onderzochten wiskundig een quantumoscillator — de quantumversie van een slinger of een veer — die zich door de vierdimensionale ruimtetijd beweegt en interacteert met een waarnemer die zich ook door de ruimtetijd verplaatst. De paden van de waarnemer en de quantumoscillator, hun zogenoemde wereldlijnen, waren verschillend. Dat wil zeggen dat ze door verschillende delen van de gekromde ruimtetijd bewogen.
Als de waarnemer tweemaal de entropie van de oscillator mat, en vervolgens het verschil tussen die twee metingen berekende, bleek dat verschil verband te houden met hoe sterk de wereldlijn van de waarnemer afweek van die van de oscillator. Wanneer er nog een waarnemer werd toegevoegd, die zich op een andere manier door de ruimtetijd had bewogen dan de eerste, leverde dat weer een ander getal op voor de verandering in entropie, omdat ook de tweede waarnemer een eigen, unieke wereldlijn had.
‘Stel je voor dat we samen in jouw kantoor zijn met [een quantumobject] en we allebei metingen van de entropie doen’, zegt Céleri. ‘Jij blijft daar, maar ik stap in een vliegtuig, vlieg de wereld rond en kom terug naar jouw kantoor. Dan doen we opnieuw metingen. We zullen dan verschillende dingen zien, omdat mijn wereldlijn anders is dan die van jou.’
Niet heel verrassend
Quantumwetenschapper Gerard Milburn van de Universiteit van Queensland in Australië zegt dat dit resultaat de algemene relativiteitstheorie en de tweede wet van de thermodynamica – die stelt dat entropie altijd toeneemt – op een nieuwe en interessante manier combineert.
Het idee is niet zo verrassend als het misschien klinkt, maar het verrijkt ons begrip van alle manieren waarop de entropie van een object kan veranderen, zegt quantumwetenschapper Erickson Tjoa van het Max Planck-instituut voor Quantumoptica in Duitsland. Het is bovendien een voorbeeld van hoe de quantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie niet altijd met elkaar botsen – ook al zijn deze twee theorieën op extremere plekken in de ruimtetijd, zoals bij zwarte gaten, nog steeds onverenigbaar.
Groter vraagstuk
Het nieuwe resultaat deel uit van een groter vraagstuk over hoe quantumobjecten bestaan in gekromde ruimtetijd, zegt quantumwetenschapper Ivette Fuentes Guridi van de Universiteit van Southampton in het Verenigd Koninkrijk. Zulke vragen zijn ontzettend interessant, maar zouden volgens haar nog nauwkeuriger beantwoord kunnen worden als ze worden toegepast op quantumvelden, in plaats van op een oscillator. Dat komt omdat velden overal in de ruimte aanwezig zijn. Dus elke uitspraak over hoe ze veranderen door de kromming van ruimtetijd zou bijdragen aan ons algehele begrip van wanneer zwaartekracht en quantumfysica wel – of niet – verenigbaar zijn. De onderzoekers zijn al bezig hun theorieën in die richting uit te breiden, maar dat zal waarschijnlijk wiskundig gezien veel uitdagender zijn.
Natuurkundige Djordje Minic van Virginia Tech in de VS zegt dat dit nieuwe werk grote gevolgen kan hebben, vooral als het leidt tot concrete experimentele testen van de quantumfysica. Het empirisch onderzoeken van de afhankelijkheid van een quantumobject van de waarnemer kan een manier zijn om een nieuwe theorie te vinden die álle objecten in gekromde ruimtetijd beschrijft. En dat zou volgens hem wel eens ‘het topje van de ijsberg’ kunnen zijn van een theorie die nog fundamenteler is dan de quantumtheorie.
