Natuurkundigen zijn al jaren op zoek naar een deeltje dat de zwaartekracht overdraagt, maar in een nieuwe theorie is zo’n deeltje helemaal niet nodig. Volgens deze theorie is het quantumgedrag van de ruimte de oorzaak van de zwaartekracht.
Natuurkundigen vermoeden dat alle natuurkrachten worden overgedragen door deeltjes, maar volgens een nieuw wiskundig model kan de zwaartekracht de uitzondering op de regel zijn. Het model bouwt voort op een bestaand idee dat al tientallen jaren oud is, maar de bedenkers zeggen dat ze het nu zo goed hebben uitgewerkt, dat ze het experimenteel kunnen gaan beproeven.
Vreemde zwaartekracht
Natuurkundige Manthos Karydas van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in de Verenigde Staten zegt dat zwaartekracht anders is dan de andere natuurkrachten. Een van de aanwijzingen hiervoor is dat onze zwaartekrachttheorie, de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, exotische objecten voorspelt zoals zwarte gaten. Daarin gedraagt de zwaartekracht zich compleet anders dan op andere plekken.
‘AI is een veredelde rekenmachine’
Met AI spoort Ann Dooms vervalste schilderijen op, maakt ze onleesbare teksten doorzoekbaar en brengt ze de kwaliteit van eicellen in kaart.
Zwarte gaten vertonen ook vreemd gedrag als het gaat om hun thermodynamica: de wetten die hun temperatuur, energie en entropie bepalen. Andere natuurkundigen zagen dit verband al eerder als een mogelijke aanwijzing voor de ware aard van zwaartekracht. Het team van Karydas heeft deze aanwijzing nu verder gevolgd. De onderzoekers maakten een zwaartekrachtmodel dat netjes laat zien hoe wij zwaartekracht in onze wereld ervaren, maar dat gravitonen, de vermeende deeltjes die de kracht overbrengen, helemaal buiten beschouwing laat.
‘De regel is dat een model alles wat je tot nu toe hebt waargenomen moet kunnen reproduceren. De aarde moet bijvoorbeeld nog steeds stabiel rond de zon draaien’, zegt teamlid Daniel Carney, ook natuurkundige aan het LBNL. Hij zegt dat hun model dit voor elkaar krijgt: het reproduceert de zwaartekracht die we ‘kennen en waar we van houden’, maar dan door een situatie te beschrijven als een gas dat tussen twee massieve zuigers zit, zoals in een benzinemotor. De wetten van de thermodynamica schrijven voor dat de gasdeeltjes bewegen op een manier die hun entropie, ofwel wanorde, vergroot. Dat levert een ongeordende boel op die uiteindelijk de zuigers in beweging zet. In feite voelen de zuigers een zogeheten ‘entropische kracht’ die voortkomt uit het wanordelijke gas.
De onderzoekers leidden vergelijkingen af voor de zwaartekracht als zo’n entropische kracht, waarbij twee zware objecten de rol van de zuigers spelen en het gas bestaat uit een verzameling quantumbits, de kleinste objecten die quantuminformatie dragen. Gewoonlijk is het idee dat twee objecten met massa elkaar aantrekken door gravitonen uit te wisselen, maar in dit model ontstaat zwaartekracht doordat de ruimte om de objecten heen zich vult met quantumobjecten.
Het lab in
Karydas zegt dat dit de eerste keer is dat het idee, dat stamt uit 1995, in genoeg detail is uitgewerkt om voorspellingen te kunnen doen over werkelijke, fysische scenario’s. Dat betekent ook dat het model kan worden getoetst aan de hand van laboratoriumexperimenten.
Het team van Karydas heeft daarvoor experimenten op het oog die worden momenteel gebouwd. Deze zijn bedoeld om te onderzoeken of de zwaartekracht twee objecten kan verbinden via quantumverstrengeling. Ook zijn er experimenten die kijken naar willekeurige fluctuaties, ruis, die ontstaan door de manier waarop de zwaartekracht over de ruimte wordt verdeeld. Karydas en zijn team berekenden welke meetresultaten uit deze experimenten moeten rollen als hun model klopt.
Ze voerden deze berekeningen uit voor verschillende versies van hun model, zodat het ofwel volledig kan worden uitgesloten, of verder kan worden verfijnd op basis van de experimentele bevindingen. ‘Het soort vraag dat ons dreef was: ‘En dan? Wat verandert [het model] in zaken die we kunnen waarnemen?’, zegt teamlid Jacob Taylor van de Universiteit van Maryland in de VS.
Meten is weten
Natuurkundige Denys Bondar van de Tulane-universiteit in de VS zegt dat het vaak lastig is om nieuwe zwaartekrachtmodellen te toetsen met praktische experimenten, dus dat het nieuwe werk is een belangrijke stap voorwaarts in het vraagstuk over de ware aard van zwaartekracht. ‘De afgelopen tien jaar hebben we veel vooruitgang geboekt, niet alleen op het gebied van quantummetingen, maar ook op het gebied van zwaartekrachtmetingen, dus ik ben erg optimistisch dat we binnenkort meer input zullen krijgen van experimenten’, zegt hij.
Carney erkent wel dat het model nog veel meer tests moet doorstaan. Zo moeten hij en zijn collega’s nog uitzoeken of het alle eigenschappen van de algemene relativiteitstheorie kan reproduceren.
