Een van de grootste uitdagingen in de natuurkunde is het combineren van Einsteins zwaartekrachttheorie met de quantummechanica. Theoretici hebben nu een stapje gezet in het in kaart brengen van een duizelingwekkend theoretisch idee over de quantumzwaartekracht.

Einsteins algemene relativiteitstheorie werkt uitstekend op de grote schaal – die van vallende appels en planeten die om een ster draaien. De quantummechanica is de beste theorie die we hebben voor de kleine schaal van atomen, moleculen en licht. Een ‘universele’ quantumzwaartekrachttheorie die deze twee samenvoegt zou het universum zowel op de grootste als op de allerkleinste schaal beschrijven.

Een theorie van quantumzwaartekracht kan inzicht geven in onder meer zwarte gaten en het prille begin van het heelal. Zwarte gaten kunnen ontstaan als een zware ster aan het eind van zijn leven door zijn eigen zwaartekracht ineenstort tot een oneindig klein volume met een oneindig hoge dichtheid. Het ontstaan en bestaan van zwarte gaten wordt keurig beschreven door Einsteins relativiteitstheorie. Maar er is nog geen goede quantummechanische beschrijving van zwarte gaten. Zo lijkt de informatie die erin verdwijnt voor altijd verloren te kunnen gaan, iets dat in de quantummechanica onmogelijk is.

Een groen ­addertje onder het gras
LEES OOK
Een groen ­addertje onder het gras

Emergent fenomeen

Een idee dat dit probeert op te lossen, is het holografisch principe. Volgens dit principe is elk zwaartekrachtproces, zoals het ontstaan van zwarte gaten, equivalent aan een proces dat beschreven wordt door een quantumtheorie. Het heet het holografische principe, omdat die quantumtheorie een dimensie minder kent dan de zwaartekrachttheorie. Een hologram is een driedimensionaal beeld dat ontstaat uit iets tweedimensionaals. Je kunt het principe zien als een soort schil met quantuminformatie die om de zwaartekrachtwereld ligt.

‘De uitdaging is om te beschrijven hoe zwaartekracht ontstaat als een ‘emergent’ fenomeen. Net zoals alledaagse fenomenen – zoals de stroom van een vloeistof – voortkomen uit de chaotische bewegingen van individuele druppeltjes, willen we beschrijven hoe zwaartekracht op microscopisch niveau uit een quantummechanisch systeem tevoorschijn komt’, zegt wiskundige Robert Berman, van Chalmers University of Technology.

Specifieke set

Berman is een van de drie auteurs van de nieuwe publicatie over quantumzwaartekracht. Met wiskundige technieken die nieuw zijn voor deze tak van de natuurkunde, slaagden deze theoretici erin om te beschrijven hoe bepaalde zwaartekrachtprincipes kunnen ontstaan uit het holografisch principe.

‘Het is een interessant en technisch resultaat’, zegt Alejandra Castro, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam. Castro was niet betrokken bij het onderzoek. ‘Ze focussen wel op een specifiek deel van een specifieke set theorieën. Zo kijken ze niet naar de tijd en zien ze dus niet hoe systemen veranderen en evolueren. En over zwarte gaten zeggen ze niets.’

Woordenboek

De theoretici presenteren dus niet dé oplossing voor quantumzwaartekracht. Daarvoor is een complete theorie nodig die kan beschrijven hoe systemen veranderen in de tijd. ‘Er is vooruitgang op dat gebied’, zegt Castro. ‘We werken eraan, maar het is nog niet opgelost.’

Om zover te komen, werken theoretici nu aan het in kaart brengen van de verbanden die volgens het holografisch principe bestaan tussen de zwaartekracht en de quantummechanica. Dit kun je zien als een wiskundige vergelijking met aan de ene kant van het isgelijkteken de zwaartekracht en aan de andere kant de quantummechanica. Om dit te begrijpen kijken theoretici naar wat er gebeurt met de zwaartekrachtkant van de vergelijking als je iets verandert aan de quantumkant – en omgekeerd. Castro: ‘Door dat te doen, stellen we als het ware een woordenboek op waarmee we de vertaalslag tussen zwaartekracht en quantummechanica kunnen maken. De publicatie van Berman en zijn collega’s voegt een aantal woorden toe aan dat woordenboek.’