Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Max Planck & Albert Einstein

Een kwantumtheorie die alles beschrijft is de heilige graal van de natuurkunde. Er zijn al wat theorieën bedacht, maar experimentele bevestiging lijkt onhaalbaar. Toch is er nu een experiment ontworpen dat het uiterste van het uiterste kan meten.

Al ongeveer negentig jaar zijn natuurkundigen bezig om één theorie te maken die alles in het universum kan beschrijven. En al negentig jaar lang lukt dat niet. Twee theorieën worden op dit moment gebruikt om de natuur grofweg in tweeën te hakken. De kwantummechanica beschrijft het gedrag van kleine deeltjes terwijl de algemene relativiteit al het grote en de zwaartekracht beschrijft.

Meestal is het geen probleem dat je twee verschillende theorieën hebt. Om het draaien van de aarde rond de zon te beschrijven hoef je geen rekening te houden met de honderd octiljoen (1 met 50 nullen) atomen die erin zitten. Je neemt gewoon het gemiddelde gedrag van al die deeltjes. Om dezelfde reden hoef je geen rekening te houden met zwaartekracht wanneer je met de kwantummechanica rekent. Het zwaartekracht van een elektron is een sextiljoen keer (1 met 36 nullen) zwakker dan de elektromagnetische kracht die het ondervindt. Kortom, relativiteit en kwantum hoeven zelden samen gebruikt te worden. Wat is dan het probleem?

Soms heb je situaties waar je deze twee theorieën wel moet combineren. Bijvoorbeeld wanneer een voorwerp heel erg zwaar is (relativiteit) maar toch ook heel erg klein (kwantum). Denk bijvoorbeeld aan de situatie vlak na de oerknal toen alle massa van het universum samengepakt zat in een hele kleine ruimte. Maar ook wanneer je naar echt onvoorstelbaar kleine afstanden gaat kijken, moet je beide combineren. Op de zogenaamdePlanckschaal kun je niet meer één van de twee theorieën los gebruiken. Op de meest fundamentele schaal, het kleinste van het kleinste, waarop alles uiteindelijk gestoeld is, is de kwantummechanica óf de relativiteit niet meer toereikend. Die twee spreken elkaar gigantisch tegen en de natuurkunde gaat daar kapot.

Op de Planckschaal geldt een zogenaamde kwantum-zwaartekrachtstheorie en dit is een combinatie van relativiteit en kwantummechanica. Er zijn al diverse kwantum-zwaartekrachtkandidaten bedacht. De bekendste zijn de snaartheorieen quantum-loop-theory. Maar geen van die kwantum-zwaartekrachtstheorieën kan experimenteel bevestigd worden. We weten dus niet welke theorie klopt. Zonder experimentele toetsbaarheid is een theorie slechts een geloof en experimenten zijn dus tot nu toe absoluut onmogelijk gebleken. Een internationaal team van natuurkundigen publiceert in Nature Physics een idee voor een experiment dat wel degelijk het kaf van het koren kan scheiden bij de kwantum-zwaartekrachttheorieën. En dat hield bijna niemand voor mogelijk. 

Waarom is het zo moeilijk om een experiment te doen dat kijkt welke theorie klopt en welke niet? De Planckschaal ligt extreem buiten het bereik van wetenschappers. Stel je voor: een molecuul is ongeveer een miljardste meter in doorsnede. Een atoomkern is ongeveer een miljoen keer kleiner dan een molecuul. Een snelle neutrino is weer een miljoen keer kleiner dan dat. Dit neutrino is dus: nul komma, dan eenentwintig nullen, één meter breed. De Plancklengte is weer een miljoen keer een miljard keer kleiner dan dat. Daar kan niemand zich meer wat bij voorstellen. Een deeltjesversneller moet 1000000000000000 keer sterker zijn dan de LHC om experimenten te doen op deze schaal. Alle huidige experimentele aanpakken zullen dus nooit binnen afzienbare tijd kwantumzwaartekrachtachtige fenomenen kunnen testen.

De huidige aanpak zal niets opleveren, maar de wetenschappers hebben een truc bedacht waardoor het zelfs haalbaar zou zijn met huidige technologieën. Zo kunnen ze toetsen welke kwantum-zwaartekrachttheorie ‘de goede’ is. Wie weet zal snaartheorie eindelijk een meer empirische basis kunnen krijgen.

Maar wat zou je dan kunnen meten? Om dat te begrijpen moet ik eerst iets over kwantummechanica uitleggen. Wat een beetje raar is binnen de kwantumwereld is dat het uitmaakt in welke volgorde je sommige experimenten uitvoert. En dat is compleet anders dan je gewend bent. Het is namelijk zeker niet zo bij de klassieke natuurkunde. Stel je voor dat je een biljarttafel hebt waarop biljartballen liggen. Dan kan ik van een biljartbal eerst de snelheid bepalen en vervolgens de plaats waar die bal ligt. Het maakt niet uit of ik eerst de snelheid bepaal en dan de plaats of andersom. Bij kwantum maakt dat wel uit. De volgorde van de experimenten maakt uit. Als je eerst de plaats en dan de snelheid bepaalt (en die waardes met elkaar vermenigvuldigt) komt er iets anders uit dan als je dat andersom doet. Dit heeft wetenschappers decennialang voor een raadsel geplaatst.

Wanneer je beide experimenten uitvoert, plaats na snelheid en snelheid na plaats, en de uitkomsten van elkaar aftrekt blijkt dat je nog iets overhoudt, want de uitkomst van beide is net wat anders. De aftreksom van de resultaten van beide experimenten wordt de cannonieke commutatie relatiegenoemd. De diverse kandidaat-kwantum-zwaartekrachttheorieën hebben elk een eigen cannonieke commutatie relatie. Met andere woorden het verschil in uitkomst tussen beide metingen hangt af van hoe de natuur zich op de allerkleinste schaal gedraagt.

De verschillen tussen die diverse commutatie relaties zijn echter zo ontzettend klein dat we in de huidige experimenten geen onderscheid kunnen maken. Dit komt omdat die vervloekte Planckschaal zo klein is. We moeten met onze huidige aanpak een één met 33 nullen meer precisie bereiken om te zeggen welke theorie klopt en welke onzin is. Of een ander type experiment verzinnen. En dat is precies wat de wetenschappers nu publiceren inNature Physics.

De truc is dat ze meten aan een zwaar kwantummechanisch systeem. Samengesteld uit miljarden en miljarden atomen. Door de extra massa gaat de nauwkeurigheid en precisie enorm omhoog. Maar wacht even, ik vertelde aan het begin van dit stuk dat kwantummechanica de wetenschap is van al het kleine. Hoe kun je een zwaar kwantummechanisch systeem creëren? Is dat niet een contradictie? Is het mogelijk om een soort mega-atoom te maken?

Dit wordt onderzocht in het vakgebied van de optomechanica. In dit vakgebied laten wetenschappers vele lichtdeeltjes (fotonen), die van nature kwantummechanisch zijn, heel vaak tegen een superlicht spiegeltje opbotsen. Doordat de fotonen kwantummechanisch zijn, gaat het spiegeltje zich als een groot kwantumdeeltje gedragen. Je wrijft als het ware het kwantummechanische af van de fotonen op de spiegel. Je moet alleen veel fotonen tegen de spiegel op laten botsen om het spiegeltje kwantumachtig te maken. Dat is op te lossen door twee spiegels tegen over elkaar te zetten, waardoor fotonen heen en weer stuiteren en per foton er meerdere keren kwantummechanische informatie aan het spiegeltje wordt doorgegeven. 

Doordat het trillende spiegeltje op zijn beurt weer het licht beïnvloedt en je de lichtsterkte enorm nauwkeurig kunt meten, krijg je een soort vingerafdruk van het kwantummechanische gedrag van het spiegeltje in het licht. Die vingerafdruk is af te lezen met enorme precisie en daarin zit diep weggestopt de kwantum-zwaartekracht-commutatie-relatie.

Kortom als de natuur zich anders gedraagt op de kleinste lengteschalen dan de kwantummechanica doet denken, dan wordt dat vertaald in wat het verschil is tussen twee experimenten die in volgorde zijn omgedraaid. Diverse kwantum-zwaartekrachtstheorieën voorspellen andere verschillen. Tot nu toe was het Planckdomein ontoegankelijk voor experimenten. Maar door een macro-kwantumdeeltje te maken, door middel van een trillende spiegel en botsende fotonen, is het mogelijk om in een optomechanisch laboratorium de diepste krochten van de natuurkunde te verkennen. Het is nog een erg moeilijk experiment omdat je allerlei vormen van ruis weg moet halen, maar als het lukt om een afwijking in de commutatie-relatie te meten, dan zou dit wel eens één van de meest memorabele experimenten kunnen zijn van de 21e eeuw.