Waar de klok in het dagelijks leven in een strak tempo tikt, kronkelt de tijd op fundamenteler niveau een beetje wiebelig door de ruimte, deinend als een soort eb en vloed van de werkelijkheid zelf. Dat breinpijnigende idee, een ‘postquantumtheorie van klassieke zwaartekracht’, zoals de bedenker het zelf noemt, houdt momenteel de gemoederen onder natuurkundigen behoorlijk bezig.
Sterker nog: bedenker Jonathan Oppenheim van de University College Londen, die vorige maand gelijktijdig twee artikelen over dat idee publiceerde in de vakbladen Physical Review X en Nature Communications, legt daarover zelfs wedjes met zijn bekendere collega’s. Zo wedde hij met collega Carlo Rovelli, naast onderzoeker ook bestsellerauteur van populair-wetenschappelijke natuurkundeboeken, dat de basisaanname achter zijn theorie waar is. Rovelli moet zijn collega daardoor 5.000 keer zijn inzet uitkeren, mocht Oppenheim gelijk hebben – uit te betalen in goedkope dingen zoals chips of shotjes olijfolie, dat dan weer wel.
Over de auteur
George van Hal is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrift over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart. Van Hal publiceerde boeken over alles van het heelal tot de kleinste bouwstenen van de werkelijkheid.
Niet meer dan een stunt, oordeelt de Nederlandse theoretisch natuurkundige Erik Verlinde van de Universiteit van Amsterdam. ‘Ik vind die weddenschappen niet zo interessant. Je moet andere wetenschappers overreden met bewijs, niet met iets anders’, zegt hij.
Toch valt de aandacht voor Oppenheims idee ook los van de pr best te begrijpen. ‘Dit gaat over een van de grootste problemen in de natuurkunde. En zijn artikel lijkt op het eerste gezicht in elk geval wiskundig netjes in elkaar te zitten’, oordeelt mathematisch fysicus Marcel Vonk van de Universiteit van Amsterdam. ‘Dat maakt het spannend en interessant.’
De reden voor alle aandacht schuilt in iets dat in andere kringen misschien een beetje genant zou zijn, het soort probleem waarover iedereen heimelijk roddelt, maar dat niemand ooit hardop spreekt. Er zit – fluister het – namelijk een gigantisch gat in het fundament waarop het gehele bouwwerk van de menselijke kennis over de werkelijkheid rust. Van hoe biljartballen botsen en raketten opstijgen, tot hoe het heelal groeit, sterren evolueren en de deeltjes in onze lijven elkaar vasthouden, alles is gestut met theorieën waarin onmiskenbaar een gat zit.
Fysici vinden dat overigens vooral mooi: zo’n gat biedt immers kans op nieuwe inzichten en theorieën. Een daarvan is het idee van Oppenheim.
Eerst een stapje terug. Twee van de belangrijkste moderne natuurkundetheorieën zijn de algemene relativiteitstheorie van Einstein en de quantumfysica. De eerste beschrijft, hoofdzakelijk, hoe de werkelijkheid in elkaar steekt op grote, kosmische schaal. De tweede werkt vooral goed op zeer klein formaat, in de wereld van deeltjes, de bouwstenen waarvan alles om ons heen is gemaakt.
Probeer beide theorieën aan elkaar te plakken en dat lukt voor geen meter. Wie met de onderliggende wiskunde gaat rekenen, komt in een desoriënterende omgeving terecht waar berekeningen geen oplossingen hebben, maar onmogelijke oneindigheden opleveren.
Het is, om een wat aardser voorbeeld te gebruiken, alsof je in een escaperoom eindelijk de sleutel voor de deur naar buiten hebt gevonden, maar deze niet in het slot past. De enige opties? Je hebt de verkeerde sleutel, het is de verkeerde deur, of, dat kan natuurlijk ook: zowel de sleutel als de deur vormt een dwaalspoor dat afleidt van de échte uitgang.
Beslissen of, en zo ja waar de fysica een verkeerde afslag heeft genomen, blijkt vooralsnog ondoenlijk. Zowel de algemene relativiteitstheorie als de quantumfysica is, voor zover je daarover kunt spreken in de natuurkunde, bewezen ‘waar’. Ze zijn herhaaldelijk bevestigd in wetenschappelijke experimenten, gestut met decennialange, met Nobelprijzen onderscheiden onderzoeken en leverden kennis over de werkelijkheid op die zorgde voor alles van gps-satellieten tot de mobiele telefoon en de MRI-scanner in het ziekenhuis.
Het gapende gat dat de theorieën van elkaar scheidt, kom je normaliter alleen tegen onder extreme omstandigheden. Tijdens de oerknal, bijvoorbeeld, of in het binnenste van zwarte gaten.
Toch is er ook een alledaagser ‘iets’ waarbij het gat in de fysicakennis zich openbaart: de zwaartekracht. Die kracht kun je namelijk goed begrijpen met de relativiteitstheorie, die de zwaartekracht beschrijft als kromming van ruimte en tijd. Maar kom je in het regime van de quantumfysica, die de werkelijkheid beschrijft op de schaal van deeltjes, dan snapt niemand er nog iets van.
Alle fundamentele krachten hebben bijbehorende deeltjes die zo’n kracht overdragen. Het foton, een deeltje van licht, doet dat bijvoorbeeld voor de elektromagnetische kracht. Maar naar een soortgelijk deeltje voor de zwaartekracht, het graviton, wordt al decennialang tevergeefs gezocht. Mogelijk, denken steeds meer mensen, bestaat dat zelfs niet.
Toch is de jacht op een theorie van quantumzwaartekracht nog altijd in volle gang. Zo werken fysici al decennialang aan de snaartheorie, die de oplossing zoekt in ruimte en tijd die opdoemen vanuit een weefsel van minuscule, trillende snaartjes. Of aan het zo mogelijk nog esoterischer idee van ‘loop quantum gravity’, waarin de gladde ruimtetijd van de relativiteitstheorie vervangen is door een netwerk van samengeknoopte lusjes. Maar ook na decennialang rekenen en proberen, ondanks alle geboekte progressie en de vele natuurkundecarrières die gestut zijn met het werk aan die theorieën, heeft geen van de twee het probleem waarvoor ze ooit bedacht zijn al opgelost.
‘Als je de mensen die nog altijd aan deze theorieën sleutelen voor het blok zet, zullen ze dat ook toegeven’, zegt fysicus Renate Loll van de Radboud Universiteit, die zelf jarenlang carrière maakte binnen de loop quantum gravity. ‘De reguliere jacht op quantumzwaartekracht loopt vast op problemen waarop ik zelf ook ben gestuit. Die problemen zijn al ruim 25 jaar onoplosbaar en zullen dat volgens mij ook altijd blijven’, zegt ze.
Vandaar dat steeds meer ruimte ontstaat voor mensen die het over een andere boeg gooien. In Nederland werd Erik Verlinde bijvoorbeeld bekend met zijn theorie van emergente zwaartekracht. Dat idee stelt dat de zwaartekracht geen échte kracht is, maar een illusie. Net zoals temperatuur niet echt bestaat maar in werkelijkheid voortkomt uit het sneller (warmer) of langzamer (kouder) bewegen van deeltjes, borrelt de zwaartekracht op uit een dieperliggende laag van quantummechanische informatie.
Ook het idee van Oppenheim gooit het over een verrassende boeg. Waar de meeste mensen vermoeden dat het de relativiteitstheorie is die aangepast moet worden aan de quantumtheorie, gooit Oppenheim juist de quantumfysica grotendeels overboord.
‘Er is altijd een minderheid geweest die zegt: oké, misschien is zwaartekracht helemaal niet quantum’, zegt Loll. ‘Maar dan moet je eerst een theorie maken die in elk geval intern consistent is. Dat is wat Oppenheim nu probeert te doen.’
‘Fysici definiëren alle andere krachten in termen van velden die evolueren in de ruimtetijd. Alleen de zwaartekracht wordt beschreven aan de hand van de geometrie en kromming van die ruimtetijd zelf’, zei Oppenheim vorig jaar in een interview met natuurkundewebsite Quanta Magazine. Met andere woorden: alleen de zwaartekracht grijpt aan op het basale weefsel van de werkelijkheid zélf. Het ligt daarmee voor de hand, vindt Oppenheim, dat je het begrijpen van die kracht ook anders moet benaderen.
Om een gevoel te krijgen in welke bochten de natuurkunde zich daartoe moet wringen, moet je snappen waar de relativiteitstheorie en de quantumfysica botsen. Neem een deeltje. Volgens de relativiteitstheorie kromt dat deeltje met zijn massa de ruimte en de tijd, als een bowlingbal die je op een opgespannen tafellaken legt. De kromming is de oorzaak van zijn zwaartekracht.
Volgens de quantumfysica kan zo’n deeltje echter ook in superpositie zijn. Het bestaat dan op meerdere plaatsen tegelijk. Totdat je het meet. Niets en niemand kan tot die meting weten waar het deeltje zich precies bevindt. Maar als zo’n deeltje tegelijk een kuil maakt in de ruimtetijd, ‘weet’ de ruimtetijd wél waar het is. Dat is met elkaar in tegenspraak.
Oppenheim grijpt daarom terug op theorieën die al in de jaren negentig van de vorige eeuw werden ontwikkeld, samensmeltingen van quantum en klassiek die in de vergetelheid raakten, maar die hij nu heeft afgestoft en uitgebreid. De crux is dat in die beschrijvingen ruimte en tijd een beetje wiebelig zijn, fluctueren. Zodat je via een omweg dezelfde onzekerheid over onder meer de positie van een deeltje introduceert, maar dan op een manier die geen botsingen tussen de theorieën meer veroorzaakt. ‘Het is nu aan Oppenheim om de gemeenschap te overtuigen en te zien of zijn idee tractie krijgt’, zegt Marcel Vonk.
Het spreekt in elk geval in Oppenheims voordeel dat hij in zijn artikel in Nature Communications alvast een experiment beschrijft waarmee kan worden bepaald of zijn vermoeden klopt dat er geen quantumzwaartekracht bestaat. Toch is het werkelijk uitvoeren verre van gemakkelijk, zegt Vonk.
En dan is het ook nog eens mogelijk dat al die nieuwe oplossingen, van Verlindes emergente zwaartekracht tot Oppenheims postquantumzwaartekracht, uiteindelijk allemaal hetzelfde blijken. Vonk: ‘Je ziet vaker bij dit soort extreem complexe problemen dat een goed nieuw idee na lang doorrekenen eigenlijk een variatie op hetzelfde thema blijkt.’
Ook Verlinde speculeert daarover. ‘Ik denk dat zijn en mijn idee niet eens zo ver van elkaar af liggen. Het kan bijvoorbeeld best dat gravitatie op een dieper niveau wel quantum is, maar dat we dat in de praktijk toch niet nodig hebben.’ Uiteindelijk is de hoogste arbiter van wie gelijk heeft gelukkig geen fysicus of krantenkop, maar de diepste aard van de werkelijkheid zelf.
Om u deze content te kunnen laten zien, hebben wij uw toestemming nodig om cookies te plaatsen. Open uw cookie-instellingen om te kiezen welke cookies u wilt accepteren. Voor een optimale gebruikservaring van onze site selecteert u "Accepteer alles". U kunt ook alleen de sociale content aanzetten: vink hiervoor "Cookies accepteren van sociale media" aan.
Voor snelle wijzigingen en bezorging
U bent niet ingelogd
Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2024 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden