Categorieën
Artikelen

Waarom zwaartekracht niet is zoals de andere krachten |Quanta Magazine

Quanta Magazine:

We vroegen vier natuurkundigen waarom de zwaartekracht opvalt tussen de natuurkrachten. We kregen vier verschillende antwoorden.

Natuurkundigen denken nog steeds na waarom de appel precies valt.

Natalie Wolchover

Een senior writer/editor.

Een artikel op:

Quanta Magazine

Het artikel is in het Engels. Hieronder de Nederlandse vertaling.


Natuurkundigen hebben drie van de vier natuurkrachten – de elektromagnetische kracht en de sterke en zwakke nucleaire krachten – herleid tot hun oorsprong in kwantumdeeltjes. Maar de vierde fundamentele kracht, de zwaartekracht, is anders.

Ons huidige raamwerk voor het begrijpen van de zwaartekracht, een eeuw geleden bedacht door Albert Einstein, vertelt ons dat appels van bomen vallen en planeten in een baan om de aarde draaien omdat ze langs bochten bewegen in het ruimte-tijd continuüm. Deze curven zijn zwaartekracht. Volgens Einstein is zwaartekracht een kenmerk van het ruimte-tijdmedium; de andere natuurkrachten spelen zich op dat podium af.

Maar nabij het midden van een zwart gat of in de eerste momenten van het universum, breken Einsteins vergelijkingen. Natuurkundigen hebben een beter beeld van de zwaartekracht nodig om deze extremen nauwkeurig te beschrijven. Deze meer waarheidsgetrouwe theorie moet dezelfde voorspellingen doen die Einsteins vergelijkingen overal elders doen.

Natuurkundigen denken dat in deze waarachtiger theorie de zwaartekracht een kwantumvorm moet hebben, net als de andere natuurkrachten. Onderzoekers zoeken sinds de jaren dertig naar de kwantumtheorie van de zwaartekracht. Ze hebben kandidaat-ideeën gevonden – met name snaartheorie, die zegt dat zwaartekracht en alle andere verschijnselen voortkomen uit minuscule vibrerende snaren – maar tot nu toe blijven deze mogelijkheden conjecturaal en onvolledig begrepen. Een werkende kwantumtheorie van zwaartekracht is misschien wel het meest verheven doel in de natuurkunde van vandaag.

Wat maakt de zwaartekracht uniek? Wat is er anders aan de vierde kracht die voorkomt dat onderzoekers de onderliggende kwantumbeschrijving vinden? We hebben vier verschillende kwantumzwaartekrachtonderzoekers gevraagd. We hebben vierGravity Breeds Singularities

Claudia de Rham, een theoretisch natuurkundige aan het Imperial College London, heeft gewerkt aan theorieën over massale zwaartekracht, die erop wijzen dat de gekwantiseerde zwaartekracht massieve deeltjes zijn:

Einsteins algemene relativiteitstheorie beschrijft correct het zwaartekrachtsgedrag over bijna 30 ordes van grootte, van submillimeterschalen tot kosmologische afstanden. Geen enkele andere natuurkracht is beschreven met zo’n precisie en over zoveel verschillende schalen. Met zo’n onberispelijke overeenkomst met experimenten en observaties, zou algemene relativiteit de ultieme beschrijving van de zwaartekracht kunnen lijken. Toch is de algemene relativiteit opmerkelijk omdat het zijn eigen val voorspelt.

Algemene relativiteitstheorie levert de voorspellingen op van zwarte gaten en de oerknal aan de oorsprong van ons universum. Maar de ‘singulariteiten’ op deze plaatsen, mysterieuze punten waar de kromming van de ruimtetijd oneindig lijkt te worden, fungeren als vlaggen die de afbraak van de algemene relativiteitstoestand signaleren. Als men de singulariteit in het midden van een zwart gat nadert, of de Big Bang singulariteit, houden de voorspellingen die worden afgeleid uit de algemene relativiteitstheorie op met het geven van de juiste antwoorden. Een meer fundamentele, onderliggende beschrijving van ruimte en tijd zou het moeten overnemen. Als we deze nieuwe laag natuurkunde ontdekken, kunnen we misschien zelf een nieuw begrip van ruimte en tijd bereiken.

Als de zwaartekracht een andere natuurkracht zou zijn, zouden we dieper kunnen onderzoeken door technische experimenten te ontwikkelen die in staat zijn om steeds grotere energieën en kleinere afstanden te bereiken. Maar zwaartekracht is geen gewone kracht. Probeer het ertoe te brengen zijn geheimen voorbij een bepaald punt te onthullen, en het experimentele apparaat zelf zal instorten in een zwart gat verschillende antwoorden.

Zwaartekracht leidt tot zwarte gaten

Daniel Harlow, een kwantumzwaartekrachttheoreticus aan het Massachusetts Institute of Technology, staat erom bekend de kwantuminformatietheorie toe te passen op de studie van zwaartekracht en zwarte gaten:

Zwarte gaten zijn de reden waarom zwaartekracht moeilijk te combineren is met kwantummechanica. Zwarte gaten kunnen alleen het gevolg zijn van zwaartekracht, omdat zwaartekracht de enige kracht is die door allerlei materie wordt gevoeld. Als er een deeltje was dat de zwaartekracht niet voelde, zouden we dat deeltje kunnen gebruiken om een bericht van binnenuit het zwarte gat te sturen, dus het zou niet echt zwart zijn.

Het feit dat alle materie de zwaartekracht voelt, legt een beperking op aan het soort experimenten dat mogelijk is: welk apparaat je ook maakt, ongeacht waar het van gemaakt is, het mag niet te zwaar zijn, of het zal noodzakelijkerwijs door een zwaartekracht in een zwart gat instorten. Deze beperking is niet relevant in alledaagse situaties, maar het wordt essentieel als je probeert een experiment te construeren om de kwantummechanische eigenschappen van zwaartekracht te meten.

Ons begrip van de andere natuurkrachten is gebaseerd op het lokale principe, dat zegt dat de variabelen die beschrijven wat er op elk punt in de ruimte gebeurt – zoals de kracht van het elektrische veld daar – allemaal onafhankelijk kunnen veranderen. Bovendien kunnen deze variabelen, die we “vrijheidsgraden” noemen, alleen rechtstreeks invloed hebben op hun directe buren. Plaats is belangrijk voor de manier waarop we momenteel deeltjes en hun interacties beschrijven omdat het causale relaties behoudt: als de vrijheidsgraden hier in Cambridge, Massachusetts, afhingen van de vrijheidsgraden in San Francisco, kunnen we deze afhankelijkheid mogelijk gebruiken om te bereiken onmiddellijke communicatie tussen de twee steden of zelfs om informatie terug te sturen in de tijd, wat leidt tot mogelijke schendingen van causaliteit.

De hypothese van de plaats is heel goed getest in gewone omgevingen, en het lijkt natuurlijk om aan te nemen dat deze zich uitstrekt tot de zeer korte afstanden die relevant zijn voor kwantumzwaartekracht (deze afstanden zijn klein omdat de zwaartekracht zoveel zwakker is dan de andere krachten) . Om te bevestigen dat de plaats op die afstandsschalen blijft bestaan, moeten we een apparaat bouwen dat de onafhankelijkheid van vrijheidsgraden, gescheiden door zulke kleine afstanden, kan testen. Een simpele berekening laat echter zien dat een apparaat dat zwaar genoeg is om grote kwantumfluctuaties in zijn positie te vermijden, wat het experiment zou verpesten, ook noodzakelijkerwijs zwaar genoeg zal zijn om in te storten in een zwart gat! Daarom zijn experimenten die de plaats op deze schaal bevestigen niet mogelijk. En kwantumzwaartekracht hoeft de plaats dus niet te respecteren op zulke lengteschalen.

Ons begrip van zwarte gaten tot dusver suggereert inderdaad dat elke theorie van kwantumzwaartekracht aanzienlijk minder vrijheidsgraden zou moeten hebben dan we zouden verwachten op basis van ervaring met de andere krachten. Dit idee is gecodificeerd in het ‘holografische principe’, dat ruwweg zegt dat het aantal vrijheidsgraden in een ruimtelijk gebied evenredig is met het oppervlak in plaats van met het volume.

Zwaartekracht creëert iets uit niets

Juan Maldacena, een kwantumzwaartekrachttheoreticus aan het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, is vooral bekend vanwege het ontdekken van een hologram-achtige relatie tussen zwaartekracht en kwantummechanica:

Deeltjes kunnen veel interessante en verrassende verschijnselen vertonen. We kunnen spontane deeltjescreatie hebben, verstrengeling tussen de toestanden van deeltjes die ver uit elkaar liggen, en deeltjes in een superpositie van bestaan op meerdere locaties.

In kwantumzwaartekracht gedraagt de ruimtetijd zich op nieuwe manieren. In plaats van de creatie van deeltjes, hebben we de creatie van universums. Men denkt dat verstrengeling verbindingen tot stand brengt tussen verre gebieden in de ruimte-tijd. We hebben superposities van universums met verschillende ruimtetijd-geometrieën.

Vanuit het perspectief van de deeltjesfysica is het vacuüm van de ruimte bovendien een complex object. We kunnen ons vele entiteiten voorstellen die velden worden genoemd die bovenop elkaar zijn gelegd en zich door de ruimte uitstrekken. De waarde van elk veld fluctueert constant op korte afstanden. Uit deze fluctuerende velden en hun interacties komt de vacuümtoestand naar voren. Deeltjes zijn storingen in deze vacuümtoestand. We kunnen ze ons voorstellen als kleine defecten in de structuur van het vacuüm.

Als we de zwaartekracht beschouwen, ontdekken we dat de uitdijing van het heelal uit het niets meer van dit vacuüm lijkt te produceren. Wanneer ruimtetijd wordt gecreëerd, bevindt deze zich toevallig in de toestand die overeenkomt met het vacuüm zonder enige gebreken. Hoe het vacuüm precies in de juiste opstelling wordt weergegeven, is een van de belangrijkste vragen die we moeten beantwoorden om een consistente kwantumbeschrijving van zwarte gaten en kosmologie te verkrijgen. In beide gevallen is er sprake van een soort ruimtetijd die leidt tot het creëren van meer van de vacuümstof

Zwaartekracht kan niet worden berekend

Sera Cremonini, een theoretisch natuurkundige aan de Lehigh University, werkt aan snaartheorie, kwantumzwaartekracht en kosmologie:

Er zijn veel redenen waarom zwaartekracht speciaal is. Laat me focussen op één aspect, het idee dat de kwantumversie van Einsteins algemene relativiteitstheorie ‘niet-normaliseerbaar’ is. Dit heeft gevolgen voor het gedrag van de zwaartekracht bij hoge energieën.

In kwantumtheorieën verschijnen oneindig veel termen wanneer je probeert te berekenen hoe zeer energetische deeltjes zich van elkaar verspreiden en op elkaar reageren. In theorieën die renormaliseerbaar zijn – waaronder theorieën die alle andere natuurkrachten dan de zwaartekracht beschrijven – kunnen we deze oneindigheden op een rigoureuze manier verwijderen door op passende wijze andere hoeveelheden toe te voegen die ze effectief opheffen, de zogenaamde tegentermen. Dit proces van renormalisatie leidt tot fysisch zinnige antwoorden die zeer nauwkeurig overeenkomen met experimenten

Het probleem met een kwantumversie van algemene relativiteitstheorie is dat de berekeningen die interacties van zeer energetische gravitonen zouden beschrijven – de gekwantiseerde zwaartekrachteenheden – oneindig veel oneindige termen zouden hebben. Je zou oneindig veel tegentermen moeten toevoegen in een nooit eindigend proces. Renormalisatie zou mislukken. Daarom is een kwantumversie van de algemene relativiteit van Einstein geen goede beschrijving van de zwaartekracht bij zeer hoge energieën. Het moet enkele van de belangrijkste kenmerken en ingrediënten van zwaartekracht missen.

We kunnen echter nog steeds een perfect goede benadering van de zwaartekracht bij lagere energieën hebben met behulp van de standaard kwantumtechnieken die werken voor de andere interacties in de natuur. Het cruciale punt is dat deze geschatte beschrijving van de zwaartekracht op een of andere energieschaal – of equivalent onder een bepaalde lengte – zal afbreken.

Boven deze energieschaal of onder de bijbehorende lengteschaal verwachten we nieuwe vrijheidsgraden en nieuwe symmetrieën te vinden. Om deze kenmerken nauwkeurig vast te leggen, hebben we een nieuw theoretisch kader nodig. Dit is precies waar snaartheorie of een geschikte generalisatie binnenkomt: Volgens de snaartheorie zouden we op zeer korte afstanden zien dat gravitonen en andere deeltjes uitgebreide objecten zijn, snaren genaamd. Het bestuderen van deze mogelijkheid kan ons waardevolle lessen leren over het kwantumgedrag van zwaartekracht

RELATED:


  1. Black Hole Paradoxes Reveal a Fundamental Link Between Energy and Order
  2. Black Hole Singularities Are as Inescapable as Expected
  3. How Space and Time Could Be a Quantum Error-Correcting Code


Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s