Een uniforme theorie van alles is de heilige graal van de natuurkunde, maar de zwaartekracht weigert daar deel van uit te maken. Nu probeert een nieuw voorgestelde theorie Einsteins zwaartekrachttheorie te verenigen met de kwantummechanica - en, nog belangrijker, schetst een manier om deze experimenteel te testen.

De afgelopen eeuw heeft de kwantumfysica opmerkelijk werk verricht bij het beschrijven van de microscopische wereld van deeltjes en atomen. Het omvat drie van de vier fundamentele krachten van het universum: de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht. Maar ondanks dat enkele van de slimste geesten eraan werken, kunnen wetenschappers de vierde pijler gewoon niet introduceren: de zwaartekracht.

Tot nu toe is het meest nauwkeurige model voor het beschrijven van de zwaartekracht de algemene relativiteitstheorie van Einstein. De theorie stelt dat de zwaartekracht die we voelen en waarnemen een neveneffect is van de structuur van de ruimte-tijd en de massa die daarop rust. Zie het als een trampolinemat met daarop een bowlingbal; het gewicht van de bal zorgt voor een depressie in de mat. In het universum is de ‘mat’ ruimte-tijd, en de ‘bowlingbal’ massieve hemellichamen zoals sterren. Als je een kleinere bal op een mat legt, rolt deze langs de inkepingen naar de grotere bal, vergelijkbaar met hoe we de zwaartekracht ervaren. Of, als je een tennisbal snel genoeg rolt, zal hij rond die depressie rollen op een vergelijkbare manier als hoe de aarde om de zon draait.

Dit diagram beeldt de ruimte-tijd af als een ‘kussen’ en laat zien hoe de massa van een object ervoor zorgt dat de ruimte-tijd in een ‘kuiltje’ buigt: hoe groter de massa, hoe dieper de dip ESA-C. Carreau

De afgelopen honderd jaar heeft deze zwaartekrachttheorie vrijwel alle tests doorstaan ​​die wetenschappers op de proef hebben gesteld. In feite blijven nieuwe ontdekkingen de voorspellingen bevestigen, zoals de detectie van zwaartekrachtsgolven in 2015.

Het probleem is dat dit verhaal niet goed past bij de andere drie fundamentele krachten. Elk van de fundamentele krachten kan vrij beknopt worden beschreven met behulp van de kwantummechanica, waarbij interacties worden gemedieerd door specifieke krachtdragende deeltjes. Fotonen zijn bijvoorbeeld de dragerdeeltjes van elektromagnetische kracht. Daarom hebben wetenschappers de theorie van de "kwantumzwaartekracht" bestudeerd en gezocht naar de veronderstelde dragerdeeltjes ervan (de zogenaamde "gravitonen"), maar tot nu toe hebben alle experimenten niets gevonden.

De ruimtetijd zelf moet ook worden 'gekwantiseerd', of opgesplitst in zijn samenstellende delen. Dit is precies wat de beruchte snaartheorie doet, evenals de luskwantumzwaartekracht, die momenteel als de koploper wordt beschouwd. Maar nogmaals, geen van beide concepten lijkt zo goed te passen bij de theorie van Einstein.

Professor Jonathan Oppenheim van University College London (UCL) neemt in een nieuwe studie het tegenovergestelde standpunt in: hij stelt voor dat ruimte-tijd toch de klassieke natuurkunde volgt, en dat het de kwantumtheorie is die moet worden aangepast. Hij noemt het een ‘post-kwantumtheorie van de klassieke zwaartekracht’.

In wezen koppelde Oppenheim klassieke en kwantumsystemen, waarbij elk systeem behouden bleef. Klassieke systemen zijn bijvoorbeeld nog steeds beschermd tegen sneller-dan-licht-signalering, terwijl het onzekerheidsprincipe nog steeds niet wordt geschonden in kwantumsystemen. Einstein hield ervan dat alles deterministisch was; dat wil zeggen: als je voldoende informatie over een systeem hebt, kun je de huidige staat ervan gebruiken om een ​​bepaalde staat uit zijn verleden of toekomst af te leiden. Dat is niet het geval met de hybride theorie van Oppenheim; in plaats daarvan kun je alleen de waarschijnlijkheid berekenen dat een bepaalde toestand zich in de toekomst zal voordoen.

De theorie voorspelt een aantal interessante dingen die veel natuurkundigen kunnen beledigen. Het ontdekte bijvoorbeeld dat zwarte gaten kwantuminformatie kunnen vernietigen - iets dat in de kwantumtheorie als onmogelijk wordt beschouwd en voor sommigen misschien genoeg is om de hele theorie ronduit te verwerpen.

Artistieke impressie van een experiment om fluctuaties in ruimte en tijd te vinden door massa's nauwkeurig te wegen Isaac Young

Maar belangrijker nog: we hebben manieren om deze postkwantumtheorie van de klassieke zwaartekracht te testen. Als de ruimtetijd klassiek zou zijn, zou deze willekeurig fluctueren, waardoor de massa van objecten in de loop van de tijd enigszins zou veranderen. Het team stelt een experiment voor waarin zeer nauwkeurige metingen van een object – zoals het International Kilogram Prototype – kunnen uitwijzen of ruimte-tijd klassiek of kwantum is.

Zach Weller-Davies, co-auteur van de studie, zei: "In zowel de kwantum- als de klassieke zwaartekracht moet de ruimte-tijd wild en willekeurig om ons heen fluctueren, maar de fluctuaties zijn op een schaal die we nog niet kunnen detecteren. Maar als de ruimte-tijd klassiek is, moeten de fluctuaties groter zijn dan een bepaalde schaal, en deze schaal kan worden bepaald door een ander experiment. In dit experiment kunnen we testen hoe lang we zware atomen op twee verschillende locaties kunnen laten superponeren."

De nieuwe theorie zal waarschijnlijk niet onmiddellijk algemeen aanvaard worden, of helemaal niet, maar biedt in ieder geval een interessante nieuwe manier van denken over zwaartekracht en ruimte-tijd. Deze experimenten kunnen dit binnenkort uitsluiten en het toevoegen aan het enorme kerkhof van vreemde wetenschappelijke ideeën in de geschiedenis – of ze kunnen bewijzen dat het net zo fundamenteel is als de theorie van Einstein.

Het onderzoek werd gepubliceerd in twee artikelen, één in Physical Review X en de andere in Nature Communications.