Natuurkundigen hebben een alternatieve theorie over de ruimtetijd ontwikkeld. Mogelijk kan deze theorie van ‘postquantumzwaartekracht’ kosmische raadsels zoals donkere materie verklaren.

Een nieuwe zwaartekrachttheorie waarin ruimte en tijd onregelmatig fluctueren kan enkele van de grootste mysteries in de natuurkunde oplossen. Volgens voorstanders kan de theorie van ‘postquantumzwaartekracht’ zelfs donkere materie overbodig maken. Volgens anderen is echter veel meer bewijs nodig om de alternatieve theorie serieus te nemen.

Sneldraaiende stelsels

De meeste kosmologen denken dat ongeveer 85 procent van alle materie in het universum bestaat uit een substantie die donkere materie wordt genoemd. Dit spul is echter ondanks tientallen jaren zoeken nog nooit direct waargenomen. De aanwezigheid ervan is enkel afgeleid uit ongebruikelijke astronomische waarnemingen. Dat zijn bijvoorbeeld waarnemingen van sterrenstelsels die sneller ronddraaien dan ze volgens de zwaartekrachttheorie van Albert Einstein zouden moeten doen. Ook zitten er kleine fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling die niet verklaard kunnen worden door alleen de aanwezigheid van de materie die we in het heelal zien.

Gaan we buitenaards leven ontdekken op ijsmanen?
LEES OOK

Gaan we buitenaards leven ontdekken op ijsmanen?

De ruimtevaartorganisaties NASA en ESA spenderen momenteel miljarden aan missies naar de ijsmanen rond de planeten Jupiter en Saturnus.

De nieuwe theorie is ontwikkeld door een team onder leiding van natuurkundigen Jonathan Oppenheim en Andrea Russo van het University College in Londen. Volgens hen kan hun nieuwe idee over zwaartekracht de onverwacht snelle draaiing van sterrenstelsels verklaren zonder dat daar donkere materie voor nodig is. De theorie wordt beschreven in twee artikelen. Deze zijn nog niet door onafhankelijke experts getoetst.

Twee mijlpalen

Veel pogingen om het universum te beschrijven, richten zich op het ontwikkelen van een theorie die quantummechanica met zwaartekracht verenigt, oftewel quantumzwaartekracht. Op dit moment gaan beide onderzoeksvelden niet samen wanneer we extreme objecten zoals zwarte gaten proberen te begrijpen.

Oppenheim en Russo kiezen voor een andere benadering. In hun theorie van postquantumzwaartekracht is alledaagse materie nog steeds onderworpen aan de regels van de quantummechanica. De ruimtetijd is daarentegen niet-quantum, oftewel ‘klassiek’. Ook kan de ruimtetijd willekeurig heel lichtjes fluctueren naarmate het universum zich verder ontwikkelt.

De natuurkundigen werken al een tijdje aan dit idee, maar nu hebben ze twee belangrijke mijlpalen bereikt. Ten eerste hebben ze laten zien dat de theorie op alle lengteschalen werkt, van quantum tot kosmisch. Dat is een test die elke potentiële zwaartekrachttheorie moet doorstaan.

Ten tweede hebben Oppenheim en Russo berekend hoe hun theorie bij zeer zwakke zwaartekracht en op grote afstanden werkt, zoals in de buitenste armen van sterrenstelsels. Ze ontdekten dat de grootte van de zwaartekracht ver van de stelselcentra overeenkomt met de rotatiesnelheid van sterren aan de buitenranden van sterrenstelsels.

Ander alternatief

‘Dit is het meest veelbelovende nieuwe idee dat ik in tijden heb gehoord’, zegt kosmoloog Stacy McGaugh van de Case Western Reserve University in Ohio. Maar, zegt hij, veel natuurkundigen zullen het pas in overweging nemen als ze problemen gaan zien met hun huidige model van het heelal, waarin donkere materie een belangrijke rol speelt.

Het nieuwe idee zou kunnen fuseren met een ander alternatief voor donkere materie, genaamd MOND (MOdified Newtonian Dynamics). MOND past de zwaartekrachtwetten van Newton enigszins aan om verschijnselen zoals de snelle rotatie van sterrenstelsels te verklaren. De theorie ontbeert alleen een natuurkundige verklaring voor deze aanpassing. ‘Deze nieuwe theorie zou de basis kunnen vormen voor MOND, en daar is echt behoefte aan’, zegt McGaugh.

Nog geen champagne

Er zijn echter andere waarnemingen die postquantumzwaartekracht eerst moet kunnen verklaren voordat de theorie door natuurkundigen serieus zal worden genomen, zegt kosmoloog Malcolm Fairbairn van King’s College in Londen. Zo bevat de kosmische achtergrondstraling subtiele fluctuaties die ogenschijnlijk laten zien hoe gewone materie en donkere materie vlak na de oerknal verdeeld waren.

‘Het is nog heel, heel erg vroeg’, zegt kosmoloog Andrew Pontzen van University College in Londen, die samen met Oppenheim aan het idee heeft gewerkt maar niet betrokken was bij het recente onderzoek. ‘De berekeningen zijn tot nu toe bemoedigend, maar ook erg basaal. Er kan nog een hoop misgaan.’

Naast de rotatiesnelheden van sterrenstelsels en de fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling zullen Oppenheim en zijn collega’s ook moeten aantonen waarom sterrenstelsels binnen clusters van stelsels sneller bewegen dan je op basis van de waarneembare massa zou verwachten. ‘Zolang ze die drie dingen nog niet kunnen, is het nog geen tijd om de champagne erbij te pakken’, zegt Fairbairn.

Weddenschap

In 2022 sloot Oppenheim een weddenschap af met natuurkundige Carlo Rovelli van de Aix-Marseille-universiteit in Frankrijk. Die weddenschap ging over de vraag of de ruimtetijd wel of niet quantum is. Oppenheim wedde, met een quotering van 5000 keer de inzet, op ‘niet quantum’. Rovelli ging voor de waarschijnlijk geachte optie ‘wel quantum’. Hij zegt dat dit nieuwe werk zijn standpunt niet heeft veranderd.

Natuurkundige Geoff Penington van de Universiteit van Californië in Berkeley organiseerde de weddenschap en zette eveneens in op ‘wel quantum’. ‘Ik denk dat het goed is dat natuurkundigen een grote verscheidenheid aan benaderingen verkennen voor zeer moeilijke problemen zoals het combineren van quantummechanica met zwaartekracht’, zegt hij. ‘Maar persoonlijk denk ik niet dat deze benadering de juiste is. Ik heb duidelijk een kamp gekozen, en er staat niets nieuws in de recente artikelen dat mij van kamp doet veranderen.’