Het leek zo’n heilige twee-eenheid, ruimte en tijd. Sinds Einstein’s Speciale Relativiteitstheorie (SRT) uit 1905 worden ruimte en tijd als een onafscheidelijke eenheid beschouwd. Maar in een poging om Einstein’s relativiteitstheorie (de speciale + algemene) en de quantum mechanica te verenigen heeft de Tjechische natuurkundige Petr Horava het aangedurfd om de twee weer uit elkaar te halen, te ontrafelen. Einstein en na hem Hermann Minkowski (in 1908) dachten dat bij relativistische snelheden, d.w.z. bij snelheden tegen de lichtsnelheid aan, de zogenaamde Lorentzcontractie een rol gaat spelen. De tijd verloopt dan langzamer en afstanden worden korter. Die contractie, genoemd naar de Nederlander Hendrik Anton Lorentz, zou bij ruimte en tijd even groot zijn. Einstein en vele anderen hebben getracht de relativiteitstheorie, welke het grote en snelle in het heelal beschrijft, en de quantum mechanica, welke het allerkleinste beschrijft, te unificeren, te combineren, maar alle pogingen mislukten omdat de zwaartekracht er niet in paste. Theorieën zoals de snaartheorie en de Loop Quantum Gravitatie stranden in ingewikkelde wiskundige complicaties.

potloodgrafiet

Experimenten met grafeen, een materiaal dat sterk verwant is aan het grafiet in een doodgewoon potlood, brachten Horava ertoe na te denken over het ‘huwelijk’ van ruimte en tijd. Als grafeen tot vlak boven het absoluut nulpunt wordt gekoeld blijken electronen bijna met de lichtsnelheid te bewegen en volgen ze keurig de Lorentzcontractie. Maar bij hogere temperaturen wordt afgeweken van de theoretische contractie. In het vroegste heelal kort na de oerknal was de temperatuur zeer hoog en Horava kwam in 2009 met het volgens vele natuurkundigen ketterse idee dat ruimte en tijd toen verschillend reageerden en dat bij extreem hoge energie de tijdsvertraging veel minder is dan de lengte.  Het artikel dat Horava toen publiceerde, Quantum Gravity at a Lifshitz Point, is inmiddels een veel besproken stuk en er zijn al ruim 250 artikelen gepubliceerd over wat nu de Horava-zwaartekrachtstheorie heet. Naast het opheffen van de Lorentzsymmetrie heeft Horava nog een tweede grote wijziging van Einstein’s SRT toegepast: bij Einstein heeft tijd geen richtingsvoorkeur. Of tijd nou naar voren gaat, richting de toekomst, of naar achteren, richting het verleden, voor de natuurkundige processen maakt het geen verschil. Horava schrapt ook die symmetrie en verklaart dat tijd een voorkeur heeft, die loopt van verleden naar toekomst.

Horava-zwaartekracht

In Horava’s theorie wordt zwaartekracht overgebracht door gravitatonen, massaloze deeltjes, die vergelijkbaar zijn met de fotonen, de overbrengers van de electromagnetische kracht. Waarnemingen aan de rotatie van spiraalarmen in sterrenstelsels laten zien dat de buitenste delen sneller bewegen dan ze op grond van Einstein’s theorie zouden moeten doen. Om die verhoogde snelheid te verklaren kwam Fritz Zwicky in de jaren dertig met het bestaan van donkere materie op de proppen. In Horava’s theorie is donkere materie niet nodig, zo bleek met name door het werk van Shinji Mukohyama (Universiteit van Tokio in Japan), want er komt in de vergelijkingen een extra term voor waarmee de extra snelheid in de buitenwijken van sterrenstelsels verklaard kan worden. OK toegegeven, het is niet allemaal halleluja in Horava’s theorie, want er zijn ook zaken die zíjn theorie niet kan verklaren. Maar Horava is van plan om ook die ‘smetjes’ weg te werken. We horen er vast en zeker nog meer van. Ik zal binnenkort m’n lijstje met kandidaat Theorieën van Alles bijwerken. Bron: New Scientist.