Wat is kwantumzwaartekracht?

Kwantumzwaartekracht is een algemene term voor theorieën die proberen de zwaartekracht te verenigen met de andere fundamentele krachten van de fysica (die al samen zijn verenigd). Het vormt in het algemeen een theoretische entiteit, een graviton, dat een virtueel deeltje is dat de zwaartekracht bemiddelt. Dit is wat kwantumzwaartekracht onderscheidt van bepaalde andere geünificeerde veldtheorieën - hoewel, eerlijk gezegd, sommige theorieën die doorgaans worden geclassificeerd als kwantumzwaartekracht niet noodzakelijkerwijs een graviton vereisen.

Wat's een Graviton?

Het standaardmodel van de kwantummechanica (ontwikkeld tussen 1970 en 1973) postuleert dat de andere drie fundamentele krachten van de fysica worden gemedieerd door virtuele bosonen. Fotonen bemiddelen de elektromagnetische kracht, W- en Z-bosonen bemiddelen de zwakke kernkracht, en gluonen (zoals quarks) bemiddelen de sterke kernkracht.

De zwaartekracht zou daarom de zwaartekracht bemiddelen. Indien gevonden, wordt verwacht dat de graviton massaloos is (omdat deze onmiddellijk op lange afstanden werkt) en spin 2 heeft (omdat zwaartekracht een tensorveld van de tweede rang is).

Is kwantumzwaartekracht bewezen?

Het grootste probleem bij het experimenteel testen van elke theorie van kwantumzwaartekracht is dat de energieniveaus die nodig zijn om de vermoedens te observeren, onbereikbaar zijn in de huidige laboratoriumexperimenten.

Zelfs theoretisch loopt kwantumzwaartekracht ernstige problemen op. Zwaartekracht wordt momenteel verklaard door de algemene relativiteitstheorie, die op macroscopische schaal heel andere veronderstellingen maakt over het universum dan die van de kwantummechanica op microscopische schaal..

Pogingen om ze te combineren stuiten meestal op het 'renormalisatieprobleem', waarbij de som van alle krachten niet teniet wordt gedaan en resulteert in een oneindige waarde. In de kwantumelektrodynamica gebeurde dit af en toe, maar men kon de wiskunde renormaliseren om deze problemen te verwijderen. Een dergelijke renormalisatie werkt niet in een kwantuminterpretatie van zwaartekracht.

De aannames van kwantumzwaartekracht zijn over het algemeen dat een dergelijke theorie zowel eenvoudig als elegant zal blijken te zijn, dus veel natuurkundigen proberen achteruit te werken, een theorie voorspellend die volgens hen de symmetrieën kan waarnemen die in de huidige fysica worden waargenomen en dan kijken of die theorieën werken.

Sommige uniforme veldtheorieën die zijn geclassificeerd als kwantumzwaartekrachttheorieën zijn onder meer:

• Snaartheorie / Superstring-theorie / M-theorie
• supergravitatie
• Lus kwantumzwaartekracht
• Twistor-theorie
• Niet-commutatieve geometrie
• Euclidische kwantumzwaartekracht
• Wheeler-deWitt vergelijking

Het is natuurlijk volledig mogelijk dat als kwantumzwaartekracht bestaat, het niet eenvoudig of elegant zal zijn, in welk geval deze pogingen worden benaderd met verkeerde veronderstellingen en waarschijnlijk onnauwkeurig zouden zijn. Alleen tijd en experimenten zullen het zeker weten.

Het is ook mogelijk, zoals sommige van de bovenstaande theorieën voorspellen, dat een begrip van kwantumzwaartekracht niet alleen de theorieën zal consolideren, maar eerder een fundamenteel nieuw begrip van ruimte en tijd zal introduceren.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.