We hebben misschien eindelijk een manier om het quantumkarakter van de zwaartekracht bloot te leggen: door te zoeken naar ruis in zwaartekrachtsgolven.
De vraag hoe zwaartekracht en quantummechanica samengaan, is al tientallen jaren een van de grootste problemen binnen de natuurkunde. De manier waarop quantumfluctuaties gravitatiegolven beïnvloeden – rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door de bewegingen van zware objecten – kan natuurkundigen een manier geven om dit probleem op te lossen.
Zowel golven als deeltjes
Zwaartekracht is het enige onderdeel van de natuurkunde dat momenteel niet past in een quantummechanisch begrip van het universum. ‘Onze fundamentele natuurkundige theorie is momenteel onsamenhangend: ze bestaat uit twee delen die niet bij elkaar passen’, zegt Carlo Rovelli van de Aix-Marseille-universiteit in Frankrijk, die niet bij dit werk betrokken was. ‘Om een coherent wereldbeeld te krijgen, moeten we de twee helften combineren.’
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Er is al veel theoretisch werk gewijd aan dit probleem, maar waarnemingen en experimenten hebben er nog geen licht op kunnen werpen. Dat komt vooral doordat quantumeffecten op het gedrag van de zwaartekracht pas zichtbaar worden bij extreem hoge energieën. Een van de plaatsen waar dat soort energieën een rol spelen, is bij astronomische gebeurtenissen die zwaartekrachtsgolven produceren.
Golven die door quantumvelden worden geproduceerd, zoals licht, zijn van nature zowel golven als deeltjes. Als zwaartekrachtsvelden eveneens quantumvelden zijn, dan zouden zwaartekrachtsgolven zich dus ook moeten gedragen als deeltjes. Die hypothetische deeltjes worden gravitonen genoemd.
Experimentele handtekening
Natuurkundige Maulik Parikh van de Arizona State University en zijn collega’s hebben berekend dat het bestaan van gravitonen ruis kan veroorzaken in signalen van gravitatiegolven. En die ruis is in theorie te detecteren met de huidige observatoria voor zwaartekrachtgolven.
‘Misschien is het quantumkarakter van de zwaartekracht niet zo onbereikbaar; misschien is er een experimentele handtekening van’, zegt Parikh. ‘Onze voorspelling is dat er een soort ruis, een korreligheid, in de zwaartekracht zit – en de kenmerken van die ruis hangen af van de quantumtoestand van het zwaartekrachtsveld.’
Deze ruis is te onderscheiden van andere bronnen van ruis, zoals een vrachtwagen die langs een detector rijdt, doordat hij waarschijnlijk bij meerdere detectoren tegelijk precies dezelfde fluctuaties in het signaal veroorzaakt.
Theorie van alles
Het waarnemen van deze ruis zou het bewijs zijn dat de zwaartekracht een quantumkracht is. ‘We hebben alle redenen om aan te nemen dat dit het geval is’, zegt Rovelli. ‘Maar in de wetenschap willen we harde empirische tests, niet alleen ‘redenen om ergens in te geloven’.’
Parikh en zijn collega’s zijn nu aan het modelleren hoe quantumruis eruit zou zien in echte gravitatiegolfdetecties van astronomische gebeurtenissen, zoals samensmeltende zwarte gaten of neutronensterren, zodat we weten waar we naar moeten zoeken. Dit signaal vinden en bewijzen dat zwaartekracht een quantumverschijnsel is, zou een belangrijke stap zijn in de richting van het verenigen van zwaartekracht en quantummechanica.
Doordat de zwaartekracht een kenmerk is van de gehele ruimtetijd en de quantummechanica materie beschrijft, zou dit ons dichter brengen bij een samenhangende natuurkundige theorie van alles. ‘Het hele verhaal van de zwaartekracht is eigenlijk het verhaal van ruimte en tijd’, zegt Parikh. ‘In een theorie van alles zouden we verwachten dat ruimte en tijd en materie in zekere zin één zijn. Dit verschijnsel waarnemen zou een stap zijn om dat te bewijzen.’
