Hart van de Materie 24: Snaren of lussen? De toekomst wijst het uit...

Bovendien is met snarentheorie alleen het verhaal nog niet ten einde. Er bestaat immers een alternatieve theorie over de basisstructuur van de materie, afgeleid uit de relativiteitstheorie, die eveneens hoge ogen gooit onder fysici. Nu, eigenlijk gaat deze theorie, de luskwantumzwaartekracht, niet echt over materie, maar over de structuur van de ruimtetijd zelf. Luskwantumzwaartekracht kwantiseert deze structuur en niet de materie die zich erin bevindt: de ruimtetijd wordt een netwerk met knooppunten en verbindingen, die haar verdelen in afgescheiden elementen.

Dit maakt de ruimte korrelig. Net als de energieniveaus in de orbitalen van atomen, of de pakketjes energie in een lichtstraal, bestaat er ook een “pakketje afstand” tussen twee punten – een minimale afstand die steeds in een stap moet overbrugd worden. Deze afstand komt daarbij overeen met… de Plancklengte! Meer precies moet de ruimte op het allerkleinste niveau gezien worden als uiterst fijn weefsel, of nog, als een spinnetwerk, een netwerk ‘geweven’ van eindige lussen Het hele netwerk van lussen heet daarbij een spinnetwerk. Doordat dit netwerk in de loop van de tijd verandert, spreken onderzoekers daarbij van een spinschuim (en omgekeerd is een spinnetwerk een momentopname van de toestand van het spinschuim). In zekere zin geldt een dergelijke korreligheid ook voor de snarentheorie, waar ook objecten ter grootte van de Plancklengte als fundamentele eenheden van de natuur worden beschouwd.

Artistieke impressie van een spinnetwerk
Bron:Linfoxman, Wikipedia, publiek domein
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Loop_quantum_gravity.jpg

Die korreligheid geldt overigens wel degelijk ook voor de tijdscomponent van de ruimtetijd. Net als de melodie van een muziekstuk uiteenvalt in maten, aangegeven door het getik van een metronoom, schuimt het lussennetwerk in discrete sprongen van slag naar slag. En zoals muzikanten hun metronoom voor elk muziekstuk anders instellen, kennen verschillende delen van het universum elk een ander ritme, onder andere onder invloed van de daar heersende zwaartekracht.

Voor de rest is luskwantumzwaartekracht echter moeilijk te vergelijken met de snarentheorie. Om te beginnen vertrekt de theorie van de algemene relativiteitstheorie. Die stelt (onder andere) dat de ruimtetijd een dynamisch netwerk is, geen vastgelegd grid. Fysici noemen dit een achtergrond-onafhankelijke theorie: het kader (de ruimtetijd) ligt niet vast en elke verandering behoort toe aan het studieobject zelf. Niet moeilijk, als dat studieobject de ruimtetijd zelf is. Voorwerpen hebben dus geen plaats meer IN de ruimtetijd, ze hebben enkel nog een plaats in relatie tot elkaar. Dat is niet zozeer een nieuwe gedachte: zelfs Einstein erkende dat dat het gevolg was van zijn algemene relativiteitstheorie (en zei dat dat resultaat “zijn stoutste dromen overtrof”). Snaren en branen bevinden zich daarentegen in een vastliggend kader en zijn dus achtergrond-afhankelijk. Om bij ons muziekvoorbeeld te blijven – heel het heelal volgt een en dezelfde partituur (en die blijkt te worden gespeeld door een strijkorkestje en een piano).

Verder vereist luskwantumzwaartekracht niet meer dan de vier dimensies van de ruimtetijd, in tegenstelling tot de elf dimensies van M-theorie. Ook supersymmetrie hoeft niet waar te zijn opdat luskwantumzwaartekracht zou kloppen (en dat is wel het geval voor de snarentheorie).

 

Even filosofisch – luskwantumzwaartekracht lost zo de paradox van de Griekse wijsgeer Zeno over Achilles en de schildpad op.
Hierin gaat de snelle Achilles een loopwedstrijd aan met een schildpad, en geeft de held het arme reptiel zelfs een voorsprong:
de schildpad mag al halverwege het parcours starten. Maar bij Zeus – zodra Achilles die plaats bereikt heeft, is de schildpad
alweer een heel eind verder, op een tweede punt. En wanneer Achilles dat tweede punt heeft bereikt, is de schildpad alweer een stuk vooruit.
Uiteindelijk kan Achilles volgens Zeno de schildpad nooit volledig inhalen. Toch wel, zegt de moderne fysica, want uiteindelijk
moeten ze samen dezelfde stap zetten – die van het ene pakketje ruimtetijd dat ze willen overbruggen.

Tegelijkertijd kan je stellen dat volgens de luskwantumzwaartekracht-onderzoekers de ruimtetijd bestaat uit ondeelbare stukjes…
atomoi, in het Grieks. Deze theorie atomiseert dus de ruimte. Met als kleinste afstand de Plancklengte, zo redeneert
luskwantum-zwaartekrachttheoreticus Lee Smolin, komen we tot een kleinst mogelijke oppervlakte van 10-70 m2
en een kleinst mogelijke volume van 10-105 m3. Dat betekent dat er 10105 van dergelijke eenheden in een kubieke meter zitten.

Maar het bekende universum is maar 1079 m3 groot. Als we een gedetailleerd beeld konden schetsen van de kwantumtoestand
van ons universum […] zou dat leiden tot een gargantuesk spinnetwerk met een onvoorstelbare complexiteit, met ongeveer 10184 knooppunten.”

Beeld: Charles-Philippe Larivière (1798-1876), Achilles presenting the prize of Wisdom to Nestor during the Funeral Games,
Musée d’Art Classique de Mougins, Frankrijk

 

Is het mogelijk om beide concurrerende theorieën met mekaar te verbinden? Carlo Rovelli, een van de pioniers van luskwantumzwaartekracht, twijfelt eraan, en gelooft alvast rotsvast in zijn geesteskind:

“It is possible that the two theories could be parts of a common solution … but I myself think it is unlikely. String theory seems to me to have failed to deliver what it had promised in the ’80s, and is one of the many ‘nice-idea-but-nature-is-not-like-that’ that dot the history of science. I do not really understand how can people still have hope in it.”

 

 

Twee grondleggers van de luskwantumzwaartekrachttheorie,
Carlo Rovelli (links, 3 mei 1956, Verona, Italië) en Lee Smolin (rechts, 6 juni 1955, New York, VS).
Bron links: Temugin, Wikipedia, CC BY-SA 2.5
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CarloRovelli.JPG
Bron rechts: Lumidek, Wikipedia, CC BY 3.0
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LeeSmolinAtHarvard.JPG?uselang=fr

 

Andere onderzoekers hopen alvast van wel, en de laatste jaren duiken er signalen op dat het natuurkundige vorsingswerk zich in die richting ontwikkelt. Onderzoeker Ed Witten drukte het als volgt uit in een publicatie (Background independent open-string field theory) uit 1992:

“Finding the right framework for an intrinsic, background independent formulation of string theory is one of the main problems in string theory, and so far has remained out of reach.” ... “This problem is fundamental because it is here that one really has to address the question of what kind of geometrical object the string represents.”

Zoals het Engelse spreekwoord zegt: the proof of the pudding is in the eating. Zoals we al eerder aanhaalden, wordt een theorie aanvaardbaar als ze met data uit observaties of experimenten ondersteund wordt. En daar wringt het schoentje nog voor beide grote verhalen. Als de spartikels van de supersymmetrie en de snaren van de M-theorie al haast onmogelijk via experimentele weg kunnen worden aangetoond, dan geldt dat ook voor de lussen van de tegenpartij. Bovendien ligt de waarheid misschien eens niet in het midden, maar komt ze van een van de verschillende alternatieve theorieën, zoals de horizonfysica uit 2012, die gestoeld is op overwegingen en observaties over het ontsnappen van energie van achter de waarnemingshorizon van zwarte gaten. Tot dan toe verdedigen beide zijden hun eigen grote gelijk met vuur en enthousiasme, met papers heen en weer. Wat er ook van zij, voor wie houdt van intellectuele avonturen, is dit razend interessante stof. Tot nadenken, tot discussiëren, tot doceren aan jonge mensen die wellicht de code in de komende twintig tot honderd jaar zullen kraken.

Zeg nu nog eens dat wetenschap koud en steriel is…

Geplaatst door Geert op 26/09/2017 om 20:11