De ruimtetijd is misschien niet continu, maar opgebouwd uit piepkleine ‘hokjes’. Als dat zo is, dan kunnen we de effecten daarvan mogelijk zien aan de randen van heldere zwarte gaten.
De ruimtetijd, het weefsel waar het universum uit bestaat, is mogelijk niet een doorlopend, glad geheel, maar opgedeeld in kleine, discrete stukjes. Wellicht kunnen we bewijs voor dit idee vinden in de meest extreme gebieden van het heelal: op plekken waar materie rond superzware zwarte gaten draait.
Pixels
Veel van onze kennis over de samenstelling van het universum is gebaseerd op onderzoek naar materie op een steeds kleinere schaal. Neem vloeistoffen, zegt computerwetenschapper Jonathan Gorard van Princeton-universiteit in de VS. Veel van de vergelijkingen waarmee we beschrijven hoe vloeistoffen zich gedragen, zijn opgesteld zonder rekening te houden met wat elk atoom afzonderlijk doet. In het verleden dachten onderzoekers zelfs dat vloeistoffen continu waren; pas later ontdekten ze dat het verzamelingen van losse atomen zijn. Gorard stelt dat we misschien iets vergelijkbaars zullen ontdekken over de ruimtetijd.
Waarom een inpoldering in de Biesbosch alles zegt over het landbouwbeleid van afgelopen eeuw
Eerst de boerderij, dan pas de natuur: de agrarische sector staat er bij veel mensen niet goed op. Historicus Marij Leenders beschrijft in haar onderz ...
Als de ruimtetijd discreet is, kun je elk stukje ruimtetijd vergelijken met een pixel. Die ruimtetijd-pixels kunnen we pas ontdekken als we inzoomen op de kleinst mogelijke schaal die de natuur toelaat. Volgens de quantumtheorie is dat de plancklengte – ongeveer 100 miljard miljard keer kleiner dan een proton. Tot nu toe kunnen we dingen op deze schaal niet direct waarnemen. Maar Gorard zegt nu dat we misschien toch tekenen kunnen zien dat de ruimtetijd uit stukjes bestaat.
Waarneembare effecten
Hij berekende welk effect zo’n discrete ruimtetijd heeft op deeltjes die zich in een baan bevinden rondom zogeheten quasars: heldere superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels. Quasars geven heldere straling af. Dat komt doordat ze zijn omgeven door een schijf van gas. Het spul in die schijf warmt op terwijl het naar het zwarte gat toe valt. ‘Ik probeerde uit te zoeken wat het effect zou zijn op [de omgeving] van zwarte gaten als de ruimtetijd discreet zou zijn, en of dat zou dat leiden tot waarneembare effecten. Het antwoord is, voorlopig, ja’, zegt Gorard.
Hij ontdekte dat de plaatsen waar de stukjes ruimtetijd elkaar raken zich voor een deeltje gedragen als een steentje in de weg. Sommige deeltjes kunnen daardoor van richting veranderen en van de rand van het zwarte gat weg bewegen, in plaats van erin te vallen. Daardoor zou er meer materie in de schijf rondom het zwarte gat belanden. En dat zou op zijn beurt ertoe leiden dat sommige quasars helderder zijn dan de huidige theorieën voorspellen.
Gorard zegt wel dat hij nog de details moet uitpuzzelen, bijvoorbeeld hoe de rotatie van een quasar het proces beïnvloedt, en hoe je precies rekening moet houden met de magneetvelden in het gebied.
Wishful thinking
Natuurkundige Renate Loll van de Radboud Universiteit in Nijmegen zegt dat het idee van een discrete ruimtetijd voor veel natuurkundigen wishful thinking is – ze hopen erop, omdat het een oplossing biedt voor problemen in de quantumveldentheorie waarbij berekeningen soms onmogelijke oneindige waarden ophoesten. Vaak is het idee dat de ruimtetijd discreet is een aanname in een theorie, in plaats van iets dat voortkomt uit bekende natuurkundige wetten, zegt ze. In het werk van Gorard is dat ook het geval. Bovendien zegt Loll dat deze quasar-analyse geen rekening houdt met quantumeffecten. Die kunnen het gedrag van deeltjes aan de rand van een zwart gat flink veranderen.
Loll is niet de enige die kritisch is. ‘Ik zie niet in hoe dit idee werkt’, zegt natuurkundige Theodore Jacobson van de Universiteit van Maryland in de VS. Hij wijst erop dat de effecten van een discrete ruimtetijd op een veel kleinere schaal werken dan de schaal die relevant is voor de processen die ervoor zorgen dat materie zich in de schijf verzamelt.
Kloof dichten
Gorard heeft echter vertrouwen in zijn werk. Hij wijst erop dat er al enkele zwarte gaten zijn ontdekt die ongebruikelijk grote materieschijven hebben. Dat kan een beginnetje zijn van waarnemingen die uiteindelijk zijn theorie kunnen ondersteunen. Gorard denkt bovendien dat zijn voorspellingen binnenkort waar te nemen zijn dankzij de opkomst van multimessenger-astronomie: een techniek waarbij verschillende waarnemingstechnieken gecombineerd worden om een fenomeen op alle schalen te bestuderen.
Als natuurkundigen ooit weten te bewijzen dat de ruimtetijd discreet is, opent dat de deur naar nieuwe theorieën die de quantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein kunnen verenigen. Dit kan de kloof tussen deze twee belangrijke pijlers van de natuurkunde dichten en leiden tot de een theorie over quantumzwaartekracht.
