Een nieuw model dat beschrijft hoe de golffuncties van een quantumsysteem precies instorten, onthult een manier waarop ze een zwaartekrachtsveld kunnen opwekken. Dat biedt hoop op een vereniging van de quantumfysica met de relativiteitstheorie van Einstein.
Wie zwaartekracht op een quantummanier wil beschrijven, staat voor een lastige opgave. Daarvoor moet je tot nog toe eerst de relativiteitstheorie óf de quantumfysica de deur wijzen. Een nieuwe aanpak laat nu echter zien dat zwaartekracht mogelijk ontstaat uit willekeurige fluctuaties op een quantumniveau. Dat laat mogelijk zien dat van de twee belangrijkste theorieën uit de huidige fysica, quantumtheorie het belangrijkste is.
Quantumfysica beschrijft de interacties van de kleinste deeltjes van de materie, terwijl algemene relativiteitstheorie juist beschrijft hoe zwaartekracht en de grootste structuren in het heelal werken. Sinds Einstein proberen natuurkundigen beide theorieën al te laten samenwerken, maar tot nog toe boekten ze daarin weinig succes. Een deel van het probleem is dat niemand nog weet welke delen van welke theorie een fundamentele rol spelen in ons begrip van de werkelijkheid.
Europees-Japanse satelliet gaat wolken onderzoeken om klimaatmodellen te verbeteren
Ondanks hun ogenschijnlijke alledaagsheid is er nog veel onbekend over wolken en hun invloed op ons klimaat. De Europees-Japanse Earthcaresatelliet mo ...
Quanta
Een mogelijke manier om de theorieën te laten samenwerken, is aantonen dat zwaartekracht in de basis bestaat uit ondeelbare onderdelen die fysici quanta noemen, net zoals de elektromagnetische kracht bestaat uit quanta die fotonen heten. Maar deze weg naar een quantumzwaartekrachtstheorie bleek tot nog toe moeilijk begaanbaar.
Daarom komt Antoine Tilloy van het Duitse Max Planck-Institut Für Quantenoptik nu met een andere poging, waarin hij zwaartekracht tevoorschijn wil toveren door de standaardquantumfysica een beetje aan te passen.
Golffunctie
In de quantumtheorie beschrijf je de toestand van een deeltje met een zogeheten golffunctie. Met die golffunctie kun je bijvoorbeeld uitrekenen wat de kans is dat je een deeltje op een bepaalde plaats vindt wanneer je deze meet. Voordat je die meting doet, is het nog onzeker of het deeltje bestaat en zo ja, waar. De werkelijkheid, zo lijkt het, ontstaat door die meting. Een meting waardoor de golffunctie ‘inklapt’.
Maar quantummechanica definieert niet wat een meting nu precies is. Heb je er bijvoorbeeld een zelfbewust persoon bij nodig? Dat metingsprobleem zorgt voor paradoxen, zoals de kat van Schrödinger, waarbij een kat tegelijkertijd levend en dood kan zijn.
Flitsen
Een mogelijke oplossing voor dergelijke paradoxen is het zogeheten GRW-model dat fysici aan het eind van de jaren tachtig ontwikkelden. In dat model ontstaat een zwaartekrachtsveld wanneer een golffunctie inklapt. Dat veld ontstaat in een flits op een plek in de ruimtetijd die overeenkomt met het precieze moment van inklappen en de locatie van het deeltje. In een gigantisch quantumsysteem met een groot aantal deeltjes ontstaan heel veel van die flitsen. Het gevolg is een fluctuerend zwaartekrachtsveld.
Tilloy beschrijft in een artikel op de wetenschappelijke voorpublicatiesite Arxiv dat het gemiddelde van die fluctuaties een zwaartekrachtsveld oplevert zoals je die op basis van de newtoniaanse zwaartekracht zou verwachten. De zwaartekracht zoals beschreven door Isaac Newton, de grondlegger van de klassieke mechanica. Fysici noemen deze aanpak om zwaartekracht te verenigen met quantummechanica daarom ook wel semi-klassiek: de zwaartekracht komt voort uit quantumprocessen, maar blijkt zelf een klassieke, newtoniaanse kracht. ‘Er bestaat geen reden om deze semi-klassieke aanpak te negeren. Zwaartekracht zou op fundamenteel niveau weleens klassiek kunnen zijn’, zegt Tiloy.
Voorspellingen
‘Ik vind dat in principe een interessant idee’, zegt fysicus Klaus Hornberger, verbonden de Duitse universiteit van Duisburg-Essen. Maar hij wijst er tegelijk op dat andere problemen eerst moeten worden opgelost voordat fysici deze aanpak serieus zullen nemen als theorie die alle fundamentele krachten op elke mogelijke schaal verbindt. Zo kan Tilloys model bijvoorbeeld gebruikt worden om Newtoniaanse zwaartekracht te beschrijven, maar moet de wiskunde nog doorgerekend worden om te bepalen of het ook de zwaartekracht kan beschrijven uit Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Tilloy is het daarmee overigens eens. ‘Dit is erg moeilijk om te generaliseren naar een relativistische setting’, zegt hij. Hij waarschuwt ook dat niemand weet weke van de vele aanpassingen die je binnen het kader van deze theorie aan de quantumfysica kunt doen, de juiste is.
Desalniettemin doet zijn model wel degelijk voorspellingen die je kunt testen. Zo voorspelt het bijvoorbeeld dat de zwaartekracht zich op de schaal van atomen anders moet gedragen dan op grote schaal. Als onderzoek aantoont dat het model van Tilloy in overeenstemming is met de werkelijkheid, en dat de zwaartekracht inderdaad ontstaat uit instortende quantumfluctuaties, dan zou dat een grote aanwijzing zijn dat een semi-klassieke beschrijving van de zwaartekracht een belangrijke wegwijzer is op de route naar een theorie van alles.
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: