Een nieuwe test voor de kwantumnatuur van zwaartekracht

Onze natuurkundige modellen beschrijven de wereld goed - eigenlijk te goed. Want één ding is zeker: de huidige theorieën kloppen niet. Voor een wereldformule die verschijnselen op zowel de kleinste als de grootste schaal beschrijft, zouden de vier bekende fundamentele krachten verenigd moeten worden. Tot nu toe is dit voor drie ervan gelukt: de elektromagnetische, zwakke en sterke kernkrachten hebben een verenigd kader gekregen door kwantumveldentheorieën, die de wereld van het subatomaire uitstekend beschrijven. De zwaartekracht is echter tot nu toe aan dit formalisme ontsnapt. Een van de meest prangende vragen in de fundamentele natuurkunde is daarom of de zwaartekracht, net als de andere fundamentele krachten, überhaupt een kwantumfysische kern heeft - of dat hij fundamenteel verschilt van alle andere krachten.

Al enkele jaren werken natuurkundigen aan experimenten om deze vraag te beantwoorden. Het meest gebruikelijke idee voor zo'n experiment is om twee massieve objecten met elkaar te verbinden met behulp van een kwantummechanisch effect: het creëren van wat bekend staat als "verstrengeling" tussen de massa's. Dit blijkt echter niet eenvoudig te zijn. Dit blijkt echter een gigantische taak te zijn. Zulke verstrengelde toestanden zijn erg gevoelig; bovendien is zwaartekracht de zwakste van de vier fundamentele krachten, waardoor er veel precisie nodig zou zijn voor zo'n experiment. Tot nu toe leek realisatie buiten bereik. Nu heeft een team onder leiding van natuurkundige Ludovico Lami van de Universiteit van Amsterdam een experimenteel idee gepresenteerd dat de kwantumnatuur van de zwaartekracht op een geheel nieuwe manier zou kunnen testen.

Zoals de onderzoekers uitleggen in hun paper gepubliceerd in mei 2024 in het tijdschrift "Physical Review X", is voor zo'n experiment geen verstrengeling tussen twee massa's nodig. In plaats daarvan beschrijven ze een opstelling met twee haltervormige objecten die minder dan een gram wegen. De twee halters worden parallel aan elkaar opgehangen zodat ze elk vrij kunnen schommelen. De afstand tussen hen is zo gekozen dat ze hun wederzijdse zwaartekracht voelen, maar de Casimir kracht speelt geen rol. De afscherming tussen de twee objecten is ook bedoeld om te voorkomen dat elektromagnetische of andere krachten het experiment beïnvloeden.

Een slinger met twee halters

Lami en zijn team hebben onderzocht hoe de haltervormige objecten slingeren als de zwaartekracht echt een kwantumkarakter heeft. De onderzoekers ontdekten dat de beweging van de halters gestopt kon worden door een minimale kracht. Dit betekent dat je alleen de oscillaties van de kleine massa's hoeft waar te nemen: Als de objecten stilstaan nadat de uitgeoefende kracht is uitgeoefend, heeft zwaartekracht een kwantumfysische kern. Zo'n meting is echter extreem moeilijk te realiseren: De kleinste trillingen in de omgeving zouden het experiment falsifiëren.

Daarom stellen de onderzoekers voor om het experiment extreem vaak te herhalen en lasers te gebruiken die op de haltervormige objecten worden gericht om zelfs de kleinste verplaatsingen te detecteren. Als de frequentie waarmee de objecten aan het einde van de procedure stil blijken te staan een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, schrijven de experts dat gekwantificeerde zwaartekracht kan worden aangenomen. Om deze drempelwaarde te berekenen, moesten ze "ingewikkelde wiskundige technieken uit de kwantuminformatietheorie introduceren en verfijnen", zei Lami tegen de American Physical Society.

Het beschreven experiment is tot nu toe slechts een theoretische constructie. Zelfs als de benodigde technologieën al beschikbaar zijn, kan de realisatie van het experiment onverwachte praktische problemen opleveren. Welke experimentele opstelling het uiteindelijk mogelijk zal maken om de ware aard van de zwaartekracht te doorgronden, zal in een laboratorium worden beslist - en niet op een stukje papier.

Spectrum van de wetenschap

Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen gefundeerde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.