Een nieuwe manier van denken zet ons begrip van de ruimtetijd volledig op z’n kop

Eén van de vreemdste aspecten van de kwantummechanica is verstrengeling. Immers, als twee deeltjes elkaar op een gigantische afstand beïnvloeden, dan wordt een fundamenteel principe in de natuurkunde geschonden, namelijk lokaliteit: dingen die op een specifieke positie in de ruimte plaatsvinden, kunnen alleen nabije posities beïnvloeden. Maar wat als lokaliteit – en de ruimte zelf – helemaal niet fundamenteel zijn? De auteur George Musser verkent de implicaties in zijn nieuwe boek, Spooky Action At a Distance (“spookachtige werking op afstand”).

Toen de filosoof Jenann Ismael tien jaar oud was, kocht haar vader (een Irakese professor die verbonden was aan de Universiteit van Calgary, Canada) een oude kist op een veiling. In die kist vond Ismael een oude kaleidoscoop en ze was direct verkocht. Ze heeft er urenlang mee geëxperimenteerd om te achterhalen hoe de kaleidoscoop werkte.

Als je in een kaleidoscoop kijkt en aan de buis draait, komen allerlei veelkleurige vormen in beeld, die ronddraaien, bloesemen en samensmelten. Het patroon verschuift constant en onvoorspelbaar, schijnbaar zonder rationele verklaring. Maar hoe langer je in een kaleidoscoop tuurt, hoe meer regelmaat je kunt aantreffen. Vormen die zich links en rechts in je beeldveld bevinden, veranderen op dezelfde manier en die symmetrie bevat aanwijzingen voor wat er werkelijk aan de hand is. Die vormen zijn helemaal geen fysieke objecten, maar weerkaatsingen van fysieke objecten – van glasscherven die rondschudden in een door spiegels bedekte buis, om precies te zijn.

Een enkele glasscherf kan op verschillende plaatsen zichtbaar worden, alsof het zich in verschillende punten van de ruimte bevindt. Maar als je kijkt naar de grotere ruimte rondom de kaleidoscoop, dan kan de fysieke beschrijving van de driedimensionale kaleidoscoop resulteren in een vrij eenvoudige causale theorie. Je hebt een stukje glas dat door meerdere spiegels gereflecteerd wordt. Zodra je snapt hoe een kaleidoscoop werkt, is het plotseling niet mysterieus meer!

Toen Ismael tientallen jaren later een nieuwe kaleidoscoop kocht, besefte ze ineens iets bijzonders. Een kaleidoscoop is eigenlijk een metafoor voor het non-lokaliteitsprincipe in de natuurkunde! Kijk, normaal gesproken kunnen deeltjes elkaar alleen beïnvloeden als ze zich bij elkaar in de buurt bevinden. Sommige processen hebben hier echter lak aan, zoals het mysterieuze verschijnsel van kwantumverstrengeling, waarbij een deeltje op aarde en een deeltje aan de andere kant van het universum elkaar direct kunnen beïnvloeden. Stel dat deeltjes die met elkaar verstrengeld zijn eigenlijk projecties zijn, of “secundaire creaties”, van objecten die zich in een andere realiteit bevinden?

“In het geval van de kaleidoscoop, weten we wat ons te doen staat: we moeten het hele systeem bekijken – we moeten achterhalen hoe de ”beeldruimte’ gecreëerd wordt”, zegt Ismael. “Maar hoe maken we een analoog hiervan voor kwantumeffecten? Dat zou betekenen dat de ruimte zoals wij dat kennen, waarin gebeurtenissen op verschillende locaties plaatsvinden, een emergente structuur is. Oftewel, iets dat tevoorschijn komt vanuit iets fundamentelers. Als we twee gebeurtenissen bekijken, dan zien we wellicht één gebeurtenis die meerdere keren “weerkaatst” wordt in de ruimtetijd. We interacteren met hetzelfde stukje realiteit vanuit verschillende locaties in de ruimte”.

Ismael en andere natuurkundigen twijfelen aan de aanname dat de ruimte het diepste niveau van de realiteit is. We weten inmiddels dat het universum meer facetten bevat dan hetgeen zich binnen die ruimte bevindt. Nonlokale fenomenen, zoals verstrengeling, vinden deels buiten de traditionele ruimte plaats – immers, alleen op die manier kunnen deeltjes op grote afstand elkaar beïnvloeden alsof ze met elkaar in contact staan.

Dit suggereert dat er een diepere realiteit dan de ruimte moet bestaan, waarin het concept van afstand simpelweg niet bestaat. Dingen die op grote afstand van elkaar lijken te staan, zijn eigenlijk heel dichtbij, of misschien zelfs hetzelfde “ding” dat op meerdere plaatsen in de ruimte gemanifesteerd wordt. Ongeveer zoals de meerder beeldjes van een enkel stukje glas in een kaleidoscoop!

Als we op dat niveau gaan denken, dan worden veel mysteries ineens een stuk minder mysterieus. De connectie tussen twee deeltjes aan beide kanten van een laboratoriumopstelling, of de connectie tussen deeltjes binnen en buiten een zwart gat, is ineens niet meer zo “spookachtig”.

Als je accepteert dat het fundamentele niveau van natuurkunde non-lokaal is, dan worden “spookachtige gebeurtenissen op afstand” ineens heel logisch. Immers, twee deeltjes op grote afstand van elkaar, staan in verbinding met hetzelfde fundamentele nonlokale niveau. Voor hen bestaan ruimte en tijd simpelweg niet!

Het idee van een dieper niveau is voor natuurkundigen niet zo vreemd. Zodra we een aspect van onze wereld niet begrijpen, gaan natuurkundigen er vanuit dat we simpelweg niet diep genoeg gegraven hebben. In plaats daarvan zoomen we in, op zoek naar de werkelijke bouwstenen. Het is op het eerste gezicht, bijvoorbeeld, nogal mysterieus dat vloeibaar water kan koken (tot stoom) en kan bevriezen (tot ijs). Toch zijn deze transformaties volkomen logisch als je beseft dat water, stoom en ijs geen elementaire substanties zijn, maar afzonderlijke vormen van een enkele fundamentele substantie.

Aristoteles beschouwde de verschillende fasen van water als diverse incarnaties van zogenaamde oermaterie en volgens de zogenaamde atomisten (een stroming binnen de Griekse wijsbegeerte) werden atomen bij faseveranderingen simpelweg opnieuw gerangschikt tot lossere of vastere structuren. Gezamenlijk nemen de bouwstenen van materie eigenschappen aan die ze individueel missen. Op vergelijkbare wijze zou de ruimte kunnen zijn opgebouwd uit onderdelen die zelf niet ruimtelijk zijn. Die onderdelen zouden misschien ook herschikt kunnen worden tot niet-ruimtelijke structuren zoals die wellicht bij zwarte gaten en de oerknal gevonden kunnen worden.

“De ruimtetijd kan onmogelijk fundamenteel zijn”, aldus de bekende fysicus Nima Arkani-Hamed. “Het moet tevoorschijn komen vanuit iets dat nog fundamenteler is”. Deze manier van denken zet de natuurkunde volledig op z”n kop. Non-lokaliteit is niet langer een mysterie, maar de manier waarop dingen werkelijk zijn. In plaats daarvan wordt lokaliteit ineens puzzelachtig. We kunnen de ruimte niet langer voor lief nemen – we moeten verklaren wat het is en hoe het tevoorschijn kan komen, met of zonder tijd.

Het bouwen van ruimtetijd zal, vanzelfsprekend, minder eenvoudig zijn dan het smelten van moleculen tot een vloeistof. Wat zouden in vredesnaam de bouwstenen kunnen zijn? Normaal gesproken mag aangenomen worden dat de bouwstenen van iets kleiner zijn dan hetgeen je ervan kunt bouwen. Als je de Eiffeltoren maakt van lucifers, dan zijn de lucifers kleiner dan de toren en dat is logisch, toch?

Nou, in het geval van de ruimte kan er geen sprake zijn van “kleiner”, omdat grootte op zich een ruimtelijk concept is. De bouwstenen van de ruimte kunnen zelf geen ruimte innemen, anders zouden ze (in deze context) niets verklaren. Dat betekent dat die bouwstenen geen grootte of locatie hebben: ze zijn overal en overspannen de gehele kosmos, maar zijn tegelijkertijd nergens en onmogelijk om aan te wijzen. Hoe zou het zijn om geen positie te hebben? Wat ben je dan eigenlijk? Ben je dan überhaupt wel iets?

Binnen de westerse filosofie wordt het gebied buiten de ruimte traditioneel gezien als het gebied voorbij de wetten van de natuurkunde – de woonplaats van God in de Christelijke theologie. In de vroege achttiende eeuw bevonden de zogenaamde “monaden” van Gottfried Leibniz, die volgens hem de primitieve elementen van het universum zouden zijn, zich eveneens buiten ruimte en tijd. Zijn theorie was een stap in de richting van emergente ruimtetijd, maar was nog altijd metafysisch van aard, met slechts een vage verbinding met de wereld van “echte dingen”. Als natuurkundigen ooit willen verklaren hoe de ruimtetijd emergent kan zijn, dan moeten zij het concept van “buiten de ruimte” binnen het domein van de wetenschap brengen – van de metafysica naar de fysica.

Einstein voorzag deze problemen al. “Misschien moeten we het begrip ruimtetijd-continuüm wel opgeven. Wellicht dat het menselijke vernuft ooit manieren zal vinden om zo’n pad te bewandelen, maar op dit moment lijkt zo”n programma op het proberen te ademen in de lege ruimte.”

John Wheeler, de vermaarde zwaartekrachttheorist, speculeert dat ruimtetijd is opgebouwd uit “pre-geometrie”, maar heeft toegegeven dat dit weinig meer is dan een “idee voor een idee”. Zelfs een grootheid als Arkani-Hamed heeft zo z’n twijfels. “Deze problemen zijn ontzettend moeilijk. Ze bevinden zich buiten de gebruikelijke taal om dingen te begrijpen”.

Wat Arkani-Hamed en de anderen op de been houdt, is dat zij manieren hebben gevonden om daadwerkelijk te doen wat ze volgens Einstein moesten doen – het omschrijven van natuurkunde zonder ruimte ….te ademen in een vacuüm. “Al duizenden jaren stellen mensen vragen over de diepere aard van ruimte en tijd, maar die vragen kwamen te vroeg. We zijn eindelijk in een tijdperk aanbeland waarin we niet alleen die vragen kunnen stellen, maar ook mogen hopen op een zinnig antwoord”.

Bron: Gizmodo

Het boek Spooky Action at a Distance is hier en hier te bestellen.