Wetenschap

De vage wereld van het kwantumgat

Alice in zwartegatenland

Wie weet is de Groningse natuurkundehoogleraar Anupam Mazumdar een volgende naam in het lijstje Newton, Einstein en Hawking. Volgens zijn nieuwe theorie bestaan er kwantumgaten, een soort zwarte gaten waar zelfs tijd en ruimte niet bestaan. Of hij gelijk heeft, zal de toekomst moeten uitwijzen.
Door Christine Dirkse / Foto Reyer Boxem

‘Stel je voor: een kamer met een grote olifant in het midden, met daar omheen geblinddoekte mensen. Door te voelen proberen ze te ontdekken wát er nu eigenlijk in de kamer staat. De een beschrijft een harig stuk touw (de staart), de ander een grote boomstam (een poot) en weer een ander een flexibele buis (de slurf). Dan lijkt het net of ze allemaal iets anders beschrijven, maar in werkelijkheid beschrijven ze allemaal een stukje van de olifant.’

Zo is het ook met verschillende theorieën in de natuurkunde, zoals relativiteitstheorie, kwantumtheorie, zwarte gaten en snaartheorie. Het zijn allemaal stukjes van één grote puzzel: hoe werken die natuurwetten nou precies? Mazumdar helpt mee aan het oplossen van die puzzel.

‘Ik zoek naar overlap tussen al die theorieën. Als ze allemaal een stukje van de puzzel zijn, moeten we zoeken naar verbindingen om die stukjes aan elkaar te leggen.’

Newton

Al sinds Isaac Newton zijn theorie over zwaartekracht opstelde, proberen natuurkundigen die te verbeteren. ‘Zijn theorieën werken in de alledaagse wereld goed, maar blijken niet te kloppen als je op heel grote of heel kleine schaal kijkt,’ legt Mazumdar uit.

‘Daarom kwam Einstein met de relativiteitstheorie en ontwikkelde Stephen Hawking een kwantumtheorie van zwarte gaten.’ Niet om te bewijzen dat Newton ongelijk had, maar om zijn theorieën nauwkeuriger te maken.

Toch blijken ook de nieuwere theorieën beperkingen te hebben. Mazumdar vindt dat geen probleem. ‘De natuur is superieur, veel ingewikkelder dan wij mensen kunnen begrijpen. Door redeneren en versimpelen kunnen we wel modellen maken om het te gaan begrijpen.’

Maar er zijn bij elk model theoretische situaties en waarnemingen, bijvoorbeeld heel kleine afstand of in heel korte tijd, die niet te verklaren zijn met behulp van die theorieën.

Plekken waar de wiskundige modellen de mist in gaan, heten singulariteiten. Singulariteiten treden bijvoorbeeld op in de theorie van zwarte gaten en van de oerknal. ‘Natuurkundigen bedenken steeds nieuwe theorieën om ook deze singulariteiten op te lossen. Totdat we uiteindelijk een theorie vinden die áltijd, in elke situatie, klopt.’

Nieuwe theorie

Mazumbar gebruikt bij het oplossen van die puzzel verschillende benaderingen. ‘Het probleem is dat dat alleen maar mogelijk lijkt te zijn als je een van de basisprincipes van de natuurkunde loslaat. Bijvoorbeeld dat er zwaartekracht is, of dat alles zich op een bepaalde plaats in ruimte en tijd afspeelt.’

Hij kiest voor het loslaten van tijd en ruimte. Maar ons leven speelt zich af binnen tijd en ruimte, waardoor we ons een plek zonder die dimensies niet voor kunnen stellen. Je leest op dit moment dit artikel, en je bent niet tegelijkertijd ergens anders. En als je hier op dit moment zit, zit je niet tegelijkertijd hier honderd jaar later.

Als je uitgaat van een plaats zonder specifieke ruimte en tijd, leef je zonder klok en zonder liniaal. Je kunt tegelijkertijd overal zijn, en het kan nu tegelijkertijd ook honderd jaar geleden zijn. Onbegrijpelijke, duizelingwekkende gedachten.

Vergelijk het met het Wonderland van Alice

Door het loslaten van het basisprincipe van ruimte en tijd, kon Mazumdar een nieuwe theorie ontwikkelen. Hij beschrijft het idee van de zwarte gaten van Hawking op een iets andere manier, als plekken zonder tijd en ruimte.

Konijnenhol

‘Vergelijk het maar met het Wonderland van Alice. Als ze in het konijnenhol belandt, komt ze op verschillende plaatsen op verschillende tijden. Maar dat past nooit in dat konijnenhol. En als ze er weer uitkomt, is er geen tijd verstreken. Ze was dus tegelijkertijd op heel veel verschillende plekken.’ Deze kwantumgaten – ‘ik spreek liever van non-local compact objects’ – lossen een aantal problemen op die er met zwarte gaten nog wel waren.

Hoe maak je als natuurkundige nu zo’n theorie? ‘Het is voor een deel nadenken en de juiste vragen stellen,’ denkt Mazumdar. ‘Natuurkunde is deels filosofie. Het is veel nadenken over vragen. Maar het is ook wiskunde. We rekenen alles wat we bedenken wiskundig door, om te achterhalen of onze theorieën mogelijk zijn en of ze kloppen met onze waarnemingen.’

Vacuüm zonder tijd en ruimte

De theorie van zwarte gaten zegt dat er plekken in de ruimte zijn waar niets kan ontsnappen, zelfs licht niet. Dat komt doordat compacte massa in dat gat enorme zwaartekracht heeft, wat extreme vervorming van de ruimtetijddimensie veroorzaakt. Maar metingen laten zien dat deze theorie op heel kleine schaal niet opgaat. Het is alsof de structuur van ruimtetijd steeds vager wordt wanneer je verder inzoomt.

In de non-structured compact objects – of kwantumgaten – die Mazumdar voorstelt, is er helemaal geen sprake van ruimtetijdsingulariteiten. De ruimtetijd in het kwantumgat wordt deel van een vage wereld, waar alleen kwantumsuperposities van deeltjes bestaan: ze zijn op elke plek op elk moment.

Deeltjes kunnen daar wel uit, maar alleen heel traag; nog trager dan Hawking had berekend op basis van massa. Er kunnen dus wel af en toe deeltjes uit komen, maar je weet niet op welke plaats en op welk moment. De straling die die kwantumgaten verlaat, zou volgens Mazumdar gedecteerd moeten kunnen worden door LIGO en Virgo.

Echt bewijs vinden is moeilijk. Hij hoopt op positieve meetresultaten van LIGO en Virgo. Deze zwaartekrachtmeters in Italië en de Verenigde Staten meten zwaartekrachtgolven uit de ruimte. ‘Als deze kwantumgaten bestaan, zou je dat moeten kunnen zien aan de golfpatronen die zij detecteren.’

Ik werk voor volgende generaties, niet voor impact vandaag

Tot die bewijzen er zijn, is het dus maar afwachten of Mazumdar gelijk heeft. Het is dan ook niet zo dat natuurkundigen over de hele wereld direct enthousiast zijn. ‘Sommigen zien het wel als een reële mogelijkheid, anderen zijn sceptisch,’ erkent Mazumdar. ‘Maar dat maakt mij niet uit. Ik werk voor volgende generaties, niet voor impact vandaag.’

Erkenning

Lachend voegt hij toe: ‘Er zijn veel grote natuurkundigen die pas na hun dood erkenning kregen voor hun werk.’

Eigenlijk maakt het hem ook niet uit of hij gelijk heeft. ‘Ik ben gewoon nieuwsgierig, wil begrijpen hoe het in elkaar zit. Als deze theorie de singulariteiten niet oplost, moeten we dus verder zoeken.’

Dat kenmerkt hem misschien nog wel het meest. ‘Ik ben geen briljante wiskundige, ik heb collega’s die dat rekenwerk veel beter kunnen. Maar ik ben nieuwsgierig, stel veel vragen. Ik speel graag met ideeën, ik vind het leuk om heel rebels een andere kant op te denken, om gewaagde hypotheses op te stellen. We moeten niet weglopen voor de singulariteiten die we vinden, maar ze zien als een uitdaging om weer verder te zoeken, om nieuwe dingen te leren en te durven ontdekken.’

English

Geef een reactie

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