Zwaartekracht en kwantummechanica zijn natuurkundige mastodonten, die elkaar op theoretisch vlak nogal bijten. Tot voor kort lukte het alleen om ze te verenigen via de lastig bewijsbare snaartheorie. Nijmeegse natuurkundigen hebben nu ontdekt dat het mogelijk anders kan, al is nog niet iedereen overtuigd.

Voor wie van duidelijkheid houdt, lijkt natuurkunde het ideale vak. Van deeltjes kleiner dan een atoom tot superzware zwarte gaten, voor alles heeft de fysica verklaringen. Toch is er een probleem waar natuurkundigen zich al decennia het hoofd over breken: de theorieën van het allerkleinste (de kwantummechanica) passen niet goed bij die van het allergrootste (Einsteins relativiteitswetten). Het is alsof je water met olie probeert te mengen. Dat lukt ook niet, behalve met speciale middelen zoals emulgatoren.

Trillende snaren

Gelukkig zijn natuurkundigen al sinds de jaren zeventig op het spoor van zo’n mengmiddel, de snaartheorie.  Die kan zowel fenomenen op kwantumniveau, als op kosmische schaal verklaren. Hierbij zijn de deeltjes waaruit onze wereld is opgebouwd in feite een soort trillende snaren.

Maar er blijkt ook een andere mengmanier mogelijk, ontdekten natuurkundigen onder leiding van Frank Saueressig van het Institute of Mathematics, Astrophysics and Particle Physics. Ze publiceren er deze week over, in vakblad Physical Review Letters en op een Open Access site voor natuurkundig onderzoek.

De theorie zou een alternatief zijn voor de snaartheorie

Saueressig en zijn collega’s pakken het mengprobleem op een andere manier dan de snaartheorie aan. Waar die laatste voortbouwt op de relativiteitswetten, komt de nieuwe theorie juist voort uit de kwantummechanica. Dat was altijd lastig, legt Saueressig uit aan de telefoon. ‘Op microschaal werkt die theorie prima, maar als je met grote hoeveelheden energie te maken hebt, en zwaartekracht, loopt het spaak.’

Dat maakt het lastig om bepaalde experimenten in bijvoorbeeld deeltjesversneller CERN bij Genève te verklaren. Bij CERN laten onderzoekers deeltjes op elkaar botsen, en proberen ze te verklaren welke brokstukken dat oplevert. Saueressig: ‘Het is alsof je twee lego-bouwwerken tegen elkaar gooit en dan kijkt welke brokstukken en blokjes je overhoudt.’

Ontsporing

De voorspelling welke invloed zwaartekracht heeft op die brokstukken kan toch via de kwantummechanische weg, laten Saueressig en zijn collega’s zien in hun publicatie, zonder dat snaartheorie nodig is. Met wiskundige technieken lukte het hen de ontsporing van de kwantumtheorie bij hoge energieën als het ware te temmen. ‘Het onderzoeksveld heeft hier de laatste jaren enorm snel  naartoe gewerkt. Tijdens de coronagolf dit voorjaar hadden we tijd om het idee echt goed uit te werken.’

De ontdekking betekent niet dat de snaartheorie heeft afgedaan, benadrukt de natuurkundige. Die wordt in het artikel namelijk bevestigd noch ontkracht. ‘Wij presenteren alleen een alternatief.’

Omgedraaide oorzaak-gevolg-relaties

Een welkom alternatief, dat wel. Natuurkundigen zitten flink in hun maag met de bizarre dingen die snaartheorie voorspelt, zoals trillingen in veel meer dan drie of vier dimensies en oorzaak-gevolgrelaties die kunnen omdraaien. Tot nu toe is het heel lastig gebleken om experimenten te bedenken om die aspecten te testen, laat staan de theorie te bewijzen.

Saueressigs theorie kan waarschijnlijk wel beter met experimenten getest worden, zegt hij. ‘Vooral als het gaat om zaken die met zwaartekracht te maken hebben, zoals zwaartekrachtgolven en zwarte gaten.’ De komende jaren gaat hij met onder andere de groep van astronoom Heino Falcke experimenten opzetten.

Sceptisch

De Amsterdamse hoogleraar theoretische natuurkunde Erik Verlinde is echter sceptisch over de toepasbaarheid van de theorie op fenomenen van kosmische schaal, zegt hij desgevraagd in een telefonische reactie. De snaartheorie-expert, die niet betrokken was bij het onderzoek, ziet nog niet voor zich hoe ze bijvoorbeeld zwarte gaten op een kwantummechanische manier kan beschrijven. ‘Daarvoor ontbeert de nieuwe theorie simpelweg de benodigde ingrediënten. Snaartheorie heeft die juist wel in zich.’

De publicatie is absoluut ‘interessant en knap werk’, vindt hij, maar niet een volwaardig alternatief voor de snaartheorie. Wel kan het bruikbaar zijn op microschaal. ‘Het beschrijven van botsende gravitonen (een soort zwaartekrachtdeeltjes, red.), die overigens nog aangetoond moeten worden, zou inderdaad best zonder snaartheorie moeten kunnen. Daaraan wordt ook al sinds de jaren zeventig gewerkt.’

Het zal voorlopig dus nog even afwachten blijven voordat duidelijk is of er echt een nieuw mengmiddel toegevoegd kan worden aan de natuurkundige keuken.