14 mei 2021

Zwaartekracht uitgelegd, maar dan zonder snaren?

Credit: CC0 Public Domain

Al tientallen jaren zijn natuurkundigen het erover eens dat de snaartheorie de ‘missing link’ is tussen Einsteins relativiteitstheorie, die de natuurwetten beschrijft die op de grootste schaal plaatsvinden, en quantummechanica, die de natuur beschrijft op de kleinste schaal. Maar een internationaal team geleid door Radboud-natuurkundigen heeft nu bewijs geleverd dat de snaartheorie niet de enige theorie hoeft te zijn die deze missing link kan vormen. De onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om een quantumzwaartekrachttheorie te construeren die voldoet aan alle fundamentele natuurkundige wetten, zonder het gebruik van snaren. Ze beschreven hun bevindingen in een publicatie in Physical Review Letters afgelopen week.

Wanneer we de zwaartekracht aan het werk zien in ons universum, zoals de bewegingen van planeten of licht dat langs een zwart gat vliegt, lijkt alles volgens de wetten te gaan die Einstein beschreef in zijn algemene relativiteitstheorie. Aan de andere kant beschrijft de theorie van de quantummechanica de wetten die van toepassing zijn op de natuur in de kleinste schaal, die van atomen en subatomaire deeltjes.
Met deze twee theorieën kunnen we elk natuurkundig fenomeen om ons heen verklaren, maar toch spreken ze elkaar tegen. Tot op de dag van vandaag is het natuurkundigen nog niet gelukt de twee theorieën met elkaar te verenigen en zwaartekracht met één algemene theorie te verklaren op zowel de grootste als op de kleinste schaal.

Geen snaren nodig

In de jaren zeventig stelden natuurkundigen een nieuwe set van natuurkundige principes voor die dit probleem zou kunnen oplossen. Deze set is een uitbreiding van de wetten uit de relativiteitstheorie. Volgens deze zogenaamde ‘snaartheorie’ bestaat alles om ons heen niet uit puntdeeltjes, maar uit snaren: eendimensionale objecten die vibreren. Vanaf het moment dat deze theorie werd geïntroduceerd, is de snaartheorie het belangrijkste idee waarvan gedacht wordt dat het Einsteins algemene relativiteitstheorie koppelt aan de theorie van de quantumzwaartekracht.
Maar nieuw bewijs van theoretische natuurkundigen van de Radboud Universiteit laat nu zien dat de snaartheorie niet de enige manier is waarop deze koppeling gemaakt kan worden. ‘We laten zien dat het nog steeds mogelijk is om zwaartekracht te verklaren met quantummechanica zonder dat we de wetten uit de snaartheorie gebruiken’, zegt theoretisch natuurkundige Frank Saueressig. ‘We demonstreren dat het idee dat alles bestaat uit puntdeeltjes nog steeds goed past binnen quantumzwaartekracht, zonder daarbij snaren te gebruiken. Dit idee van deeltjesfysica is bovendien ook al experimenteel aangetoond, bijvoorbeeld met de CERN-deeltjesversneller.’

Gezien in experimenten

‘Deze alternatieve theorie is aantrekkelijk voor wetenschappers om te gebruiken omdat het enorm ingewikkeld is om de snaartheorie aan praktische experimenten te koppelen. Ons idee maakt gebruik van natuurkundige principes die al experimenteel getest zijn. In andere woorden: niemand heeft ooit snaren waargenomen in experimenten, maar wetenschappers hebben zeker deeltjes gezien bij de LHC-experimenten bij CERN. Hierdoor kunnen we het gat tussen theoretische voorspellingen en experimenten gemakkelijker overbruggen.’

Maar één set van wetten

Nu de onderzoekers hebben gedemonstreerd dat ze met hun ideeën in staat zijn om oude problemen in de deeltjesfysica op te lossen, is het team op het moment aan het uitzoeken wat de nieuwe wetten impliceren op het niveau van zwarte gaten. Saueressig: ‘Er bestaat immers maar één set van natuurlijke wetten, en deze set zou gebruikt moeten kunnen worden voor allerlei soorten vragen, zoals wat er gebeurt wanneer we deeltjes laten botsen met enorm hoge energieën of wat er gebeurt als deeltjes in een zwart gat vallen. Het zou fantastisch zijn als we kunnen demonstreren dat er echt een link is tussen deze twee klaarblijkelijk losstaande vragen, waarmee we uiteindelijk de puzzel aan beide zijden kunnen oplossen.’ Bron: Radboud Universiteit.

Comments

  1. Als je op zoek bent naar het zwaartekracht deeltje,moet je zoeken tussen de maan en de aarde. Waar de maan het dichtst bij de aarde staat, moet een verhoging van het aantal deeltjes zijn ten opzichte van het aantal dat zich bevindt buiten de aantrekkingskracht van de maan.
    Vlieg er doorheen met de juiste CERN apparatuur en je zult vinden.

  2. Het nieuwsbericht heeft toch wel een grote anti-climax, of ben ik de enige die zich afvraagt hoe men het dan heeft opgelost?
    Dan maar eens kijken of de publicatie te volgen is… 🙂

    • Angele van Oosterom zegt

      @ruviev, onlangs heb ik om gevraagd om iets meer uitleg aangaande dit onderzoek. Een van de teamleden, de Hr. Benjamin Knorr gaf de volgende uitleg en verwijzing naar een aansluitend artikel. Mijn welgemeende dank hiervoor! Hierbij, in het Nederlands een vertaling:

      “Fysici trachten zwaartekracht te verenigen met de kwantummechanica. De consensus is dat er bepaalde vereisten zijn waaraan een dergelijke theorie moet voldoen om als een succes te worden beschouwd. Twee daarvan zijn causaliteit – geen effect vooraf de oorzaak – en unitariteit – de waarschijnlijkheid van alle mogelijke uitkomsten van een kwantummechanische experiment moeten opgeteld één zijn, d.w.z. één van de mogelijke uitkomsten moet inderdaad de werkelijke uitkomst van het experiment. Een manier om te beoordelen of een theorie deze eigenschappen heeft, is door de voorspellingen ervan te vergelijken met het resultaat van verstrooiingsprocessen die bijvoorbeeld bij de LHC zijn gemeten. Causaliteit en uniformiteit zijn direct gerelateerd aan de wiskundige eigenschappen van mogelijke verstrooiingsamplitudes die de uitkomst van een dergelijk verstrooiingsproces beschrijven.

      Om een ??bepaalde theorie van kwantumzwaartekracht te testen, kan men dus dergelijke verstrooiingsamplitudes berekenen en nagaan of ze unitair en causaal zijn, en zo ja, begrijpen wat het fysisch mechanisme is wat dit mogelijk maakt. De snaartheorie bereikt dit bijvoorbeeld door een oneindig aantal massieve deeltjes te introduceren, die tot nu toe echter niet zijn waargenomen. Helaas is een experimentele verificatie momenteel buiten bereik – de benodigde energie om voorspellingen van kwantumzwaartekrachtamplitudes te testen overtreft de energieën die beschikbaar zijn bij de LHC met verschillende machten van 10. Het is dus noodzakelijk om theoretisch te begrijpen wat de voorwaarden van elke voorgestelde theorie van kwantumzwaartekracht zijn om zeg maar levensvatbaar te zijn.

      Dit is waar ons werk erbij komt kijken. We kozen een specifiek verstrooiingsproces (in wezen een vereenvoudiging van een zwaartekrachtverstrooiing van twee Higgs-deeltjes) en leidden de meest algemene vorm van de verstrooiingsamplitude af die geen extra deeltjes omvat naast de graviton, die verantwoordelijk is voor de bemiddeling van de zwaartekracht .We hebben toen kunnen aantonen dat men gravitatie-interacties zo kan formuleren dat de verstrooiingsamplitude causaal en unitair is. Dit is in meerdere opzichten opmerkelijk: a. we hoefden geen extra niet-waargenomen deeltjes te introduceren zoals de snaartheorie doet, en b. het concrete voorbeeld liet microscopisch alleen lokale interacties toe. Eenvoudig gesteld, de laatste eigenschap betekent dat als je een fysiek proces hebt in bijvoorbeeld een laboratorium op aarde, het niet wordt beïnvloed door wat er in een ver weg sterrenstelsel gebeurt.

      Het resultaat heeft verstrekkende gevolgen voor een andere benadering van kwantumzwaartekracht, die de naam Asymptotic Safety draagt. Dit is een benadering die kwantumzwaartekracht probeert a.h.w. te ‘gieten’ in een standaardtaal van de kwantumveldentheorie, vergelijkbaar met hoe het standaardmodel is geformuleerd. Ons resultaat laat zien dat er bepaalde relaties moeten zijn tussen de zwaartekrachtsinteractie en de zelfinteracties van andere deeltjes, wil de theorie unitair en causaal zijn. Zeer opwindend is dat dergelijke relaties al eerder in de literatuur zijn waargenomen, zodat ons resultaat een nieuwe mijlpaal is voor het vaststellen van de validiteit van de Asymptotic Safety benadering van kwantumzwaartekracht.

      Hieronder een aansluitend artikel, te verschijnen in JHEP. Dit zal meer in details opgaan en tevens en presenteert de voorspellingen voor de verstrooiingsamplitude van verschillende kwantumzwaartekrachtbenaderingen.”

      https://arxiv.org/abs/2007.04396

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: