Zwaartekracht was de eerste fundamentele kracht die de mensheid onderkende, maar toch blijft het de kracht die het minst wordt begrepen. Natuurkundigen kunnen de invloed van de zwaartekracht op bowlingballen, sterren en planeten met de grootste nauwkeurigheid voorspellen, maar niemand weet hoe de zwaartekracht reageert op minuscule deeltjes, of quanta. De bijna eeuw durende zoektocht naar een theorie van de kwantumzwaartekracht – een beschrijving van hoe de kracht werkt voor de kleinste deeltjes van het universum – wordt gedreven door de eenvoudige verwachting dat één zwaartekrachtregelboek alle sterrenstelsels, quarks en alles daartussenin zou moeten beheersen.
“Als er geen theorie is, dan is het heelal gewoon chaos. Het is gewoon willekeurig,” zei Netta Engelhardt, een theoretisch natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology. “Ik kan niet eens zeggen dat het chaotisch of willekeurig zou zijn, omdat dat eigenlijk legitieme natuurkundige processen zijn.
De rand van de algemene relativiteit
In het hart van het neteligste probleem in de theoretische natuurkunde ligt een botsing tussen de twee grootste triomfen van het veld. Albert Einstein’s algemene relativiteitstheorie verving Isaac Newton’s notie van eenvoudige aantrekkingskracht tussen objecten door een beschrijving van materie of energie die ruimte en tijd om zich heen buigt, en nabije objecten die deze gebogen paden volgen, en zich gedragen alsof ze tot elkaar worden aangetrokken. In Einsteins vergelijkingen is de zwaartekracht de vorm van de ruimte zelf. Zijn theorie behield de traditionele beschrijving van een glad, klassiek heelal – een heelal waarin je altijd verder kunt inzoomen op een kleiner stukje ruimte.
De algemene relativiteit doorstaat nog steeds elke test die astrofysici eraan wijden, ook situaties die Einstein zich nooit had kunnen voorstellen. Maar de meeste deskundigen verwachten dat Einsteins theorie ooit tekort zal schieten, omdat het heelal uiteindelijk hobbelig lijkt, niet glad. Planeten en sterren zijn in werkelijkheid verzamelingen atomen, die op hun beurt zijn opgebouwd uit elektronen en bundels quarks. Die deeltjes hangen aan elkaar of gaan uit elkaar door andere soorten deeltjes te verwisselen, waardoor aantrekkende en afstotende krachten ontstaan.
Elektrische en magnetische krachten, bijvoorbeeld, komen van objecten die deeltjes uitwisselen die bekend staan als virtuele fotonen. De kracht die een magneet aan de koelkast plakt, kan bijvoorbeeld worden beschreven als een glad, klassiek magnetisch veld, maar de fijne details van het veld hangen af van de kwantumdeeltjes die het creëren. Van de vier fundamentele krachten in het heelal (zwaartekracht, elektromagnetisme, en de sterke en zwakke kernkracht) ontbreekt alleen voor de zwaartekracht een “kwantum”-beschrijving. Als gevolg daarvan weet niemand met zekerheid (hoewel er genoeg ideeën zijn) waar zwaartekrachtvelden vandaan komen of hoe individuele deeltjes zich daarin gedragen.
The odd force out
Het probleem is dat zwaartekracht ons weliswaar aan de grond houdt en in het algemeen als een kracht werkt, maar dat de algemene relativiteit suggereert dat het om iets meer gaat – de vorm van de ruimte zelf. Andere kwantumtheorieën behandelen de ruimte als een platte achtergrond om te meten hoe ver en snel deeltjes vliegen. Het negeren van de kromming van de ruimte voor deeltjes werkt omdat de zwaartekracht zo veel zwakker is dan de andere krachten dat de ruimte plat lijkt wanneer wordt ingezoomd op iets zo klein als een elektron. De effecten van de zwaartekracht en de kromming van de ruimte zijn relatief duidelijk op meer uitgezoomde niveaus, zoals planeten en sterren. Maar wanneer natuurkundigen de kromming van de ruimte rond een elektron proberen te berekenen, hoe gering die ook mag zijn, wordt de wiskunde onmogelijk.
In de late jaren veertig ontwikkelden natuurkundigen een techniek, renormalisatie genaamd, om met de grillen van de kwantummechanica om te gaan, waardoor een elektron een saaie reis op oneindig veel manieren kan opleuken. Het kan, bijvoorbeeld, een foton afvuren. Dat foton kan zich splitsen in een elektron en zijn antimaterie-tweelingbroer, het positron. Die paren kunnen dan weer meer fotonen afvuren, die weer in meer tweelingen kunnen splitsen, enzovoort. Terwijl voor een perfecte berekening de oneindige variatie aan elektronentochten geteld zou moeten worden, konden natuurkundigen door renormalisatie de weerbarstige mogelijkheden bundelen in een paar meetbare getallen, zoals de elektronlading en -massa. Ze konden deze waarden niet voorspellen, maar ze konden wel de resultaten van experimenten gebruiken om andere voorspellingen te doen, zoals waar het elektron heen gaat.
Renormalisatie stopt met werken wanneer theoretische zwaartekrachtdeeltjes, gravitonen genaamd, hun intrede doen. Gravitonen hebben ook hun eigen energie, die leidt tot meer kromming van de ruimte en meer gravitonen, die weer leiden tot meer kromming, en meer gravitonen, enzovoort, wat over het algemeen resulteert in een gigantische wiskundige puinhoop. Zelfs wanneer natuurkundigen proberen enkele van de oneindigheden op elkaar te stapelen om ze experimenteel te kunnen meten, verdrinken ze uiteindelijk in een oneindig aantal stapels.
“Het betekent in feite dat je een oneindig aantal experimenten nodig hebt om iets te bepalen,” zei Engelhardt, “en dat is geen realistische theorie.”
In de praktijk wordt dit onvermogen om met kromming rond deeltjes om te gaan fataal in situaties waar veel massa en energie de ruimte zo strak verdraaien dat zelfs elektronen en hun soortgenoten er niets aan kunnen doen – zoals het geval is bij zwarte gaten. Maar deeltjes in de buurt van – of erger nog, in – de putten van de ruimte-tijd kennen de regels van het gevecht, zelfs als natuurkundigen die niet kennen.
“De natuur heeft een manier gevonden om zwarte gaten te laten bestaan,” schreef Robbert Dijkgraaf, directeur van het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, in een publicatie voor het instituut. “Nu is het aan ons om uit te vinden wat de natuur weet en wij nog niet.”
Breng de zwaartekracht in de plooi
Met behulp van een benadering van de algemene relativiteit (Engelhardt noemde het een “pleister”), hebben natuurkundigen een idee ontwikkeld van hoe gravitonen eruit zouden kunnen zien, maar niemand verwacht er op korte termijn een te zien. Eén gedachte-experiment suggereert dat het 100 jaar van experimenteren zou kosten door een deeltjes-botser zo zwaar als Jupiter om er een te detecteren. In de tussentijd denken theoretici na over de aard van de meest fundamentele elementen van het heelal.
Eén theorie, bekend als lus-kwantumzwaartekracht, probeert het conflict tussen deeltjes en ruimte-tijd op te lossen door ruimte en tijd in kleine stukjes op te delen – een ultieme oplossing waarboven niet meer kan worden ingezoomd.
Snaartheorie, een ander populair raamwerk, kiest een andere benadering en ruilt deeltjes in voor vezelachtige snaren, die zich wiskundig beter gedragen dan hun puntachtige tegenhangers. Deze eenvoudige verandering heeft complexe gevolgen, maar een leuke eigenschap is dat de zwaartekracht gewoon uit de wiskunde valt. Zelfs als Einstein en zijn tijdgenoten nooit de algemene relativiteit hadden ontwikkeld, aldus Engelhardt, dan zouden natuurkundigen er later via de snaartheorie op gestuit zijn. “Ik vind dat nogal wonderbaarlijk,” zei ze.
En snaartheoretici hebben in de afgelopen decennia nog meer aanwijzingen ontdekt dat ze op een productief spoor zitten, volgens Engelhardt. Simpel gezegd, het idee van ruimte zelf kan natuurkundigen afleiden van een meer fundamentele structuur van het universum.
Theoretici ontdekten eind jaren negentig dat beschrijvingen van een eenvoudig, doosachtig universum inclusief zwaartekracht wiskundig equivalent waren aan een beeld van een plat universum met alleen kwantumfysica (en geen zwaartekracht). De mogelijkheid om heen en weer te springen tussen de beschrijvingen suggereert dat ruimte misschien geen fundamenteel ingrediënt van de kosmos is, maar eerder een neveneffect dat ontstaat uit interacties tussen deeltjes.
Hoe moeilijk het ook is voor ons stervelingen, ingebed in het weefsel van de ruimte, om ons dat voor te stellen, de relatie tussen ruimte en deeltjes zou wel eens zoiets kunnen zijn als die tussen kamertemperatuur en luchtmoleculen. Natuurkundigen dachten ooit aan warmte als een vloeistof die van een warme naar een koele kamer stroomde, maar de ontdekking van moleculen bracht aan het licht dat wat wij voelen als temperatuur “ontstaat” uit de gemiddelde snelheid van luchtmoleculen. De ruimte (en omgekeerd ook de zwaartekracht) kan op soortgelijke wijze onze grootschalige ervaring van een of ander kleinschalig verschijnsel vertegenwoordigen. “Binnen de snaartheorie zijn er op dit moment vrij goede aanwijzingen dat de ruimte feitelijk ontstaat,” zei Engelhardt.
Maar het universum van de snaartheorie in een doos heeft een andere vorm dan het universum dat wij zien (hoewel Engelhardt zei dat dit verschil misschien geen spelbreker is, omdat de kwantumzwaartekracht op dezelfde manier zou kunnen werken voor alle mogelijke universumvormen). Zelfs als de lessen uit het doosuniversum van toepassing zijn in de werkelijkheid, blijft het wiskundige kader ruw. Natuurkundigen zijn nog ver verwijderd van het doorsnijden van hun theoretische banden met de ruimte en van het bereiken van een nauwkeurige beschrijving van de kwantumzwaartekracht in al zijn hobbelige glorie.
Terwijl zij doorgaan met het uitwerken van de aanzienlijke wiskundige knikken in hun respectieve theorieën, koesteren sommige natuurkundigen de hoop dat hun astrofysische waarnemingen hen op een dag in de juiste richting kunnen duwen. Geen enkel experiment is tot nu toe afgeweken van de algemene relativiteitsvoorspellingen, maar in de toekomst zou een gevarieerde reeks gravitatiegolfdetectoren, die gevoelig zijn voor vele golfgrootten, de subtiele fluisteringen van gravitonen kunnen opvangen. Maar, zei Engelhardt, “mijn instinct zou zijn om naar de kosmos te kijken in plaats van naar deeltjes-botsers”.