Grote mysteries van de natuurkunde hebben we echt een theorie

Grote mysteries van de natuurkunde: hebben we echt een theorie van alles nodig?

De deeltjesfysica heeft niet het bewijs gevonden waar fysici op hoopten. D-Visions/Shutterstock

Het vinden van een theorie van alles – die alle krachten en deeltjes in het heelal verklaart – is misschien wel de heilige graal van de natuurkunde. Hoewel elk van de belangrijkste theorieën buitengewoon goed werkt, botsen ze ook met elkaar – waardoor natuurkundigen moeten zoeken naar een diepere, meer fundamentele theorie.

Maar hebben we echt een theorie van alles nodig? En zijn we dicht bij het bereiken ervan? Dat is wat we bespreken in de zesde en laatste aflevering van onze Grote Mysteries van de Natuurkunde podcast – gepresenteerd door mij, Miriam Frankel, wetenschapsredacteur bij The Conversation, en ondersteund door FQxI, het Foundational Questions Institute.

Onze twee beste natuurtheorieën zijn de kwantummechanica en de algemene relativiteit, die respectievelijk de kleinste en de grootste schaal van het universum beschrijven. Beide zijn enorm succesvol en zijn keer op keer experimenteel getest. Het probleem is dat ze in veel opzichten onverenigbaar zijn met elkaar – ook wiskundig.

“Algemene relativiteit gaat over geometrie. Het gaat erom hoe de ruimte gekromd is en hoe de ruimte-tijd – deze eenheid die drie dimensies ruimte en één dimensie tijd bevat – zelf ook gekromd is,” legt Vlatko Vedral uit, een professor in de natuurkunde aan de Oxford Universiteit in het Verenigd Koninkrijk. “Kwantumfysica gaat eigenlijk over algebra.”

Natuurkundigen zijn er al in geslaagd de kwantumtheorie te verenigen met Einsteins andere grote theorie: de speciale relativiteit (die verklaart hoe snelheid massa, tijd en ruimte beïnvloedt). Samen vormen deze een raamwerk dat “kwantumveldentheorie” wordt genoemd, en dat de basis vormt voor het Standaardmodel van de deeltjesfysica – ons beste raamwerk om de meest elementaire bouwstenen van het universum te beschrijven.

Het standaardmodel beschrijft drie van de vier fundamentele krachten in het universum – elektromagnetisme, en de “sterke” en “zwakke” krachten die de atoomkern beheersen – met uitzondering van de zwaartekracht.

Hoewel het standaardmodel het meeste verklaart van wat we zien in deeltjesfysica-experimenten, zijn er een paar hiaten. Om deze te overbruggen is een uitbreiding voorgesteld, “supersymmetrie” genaamd, die suggereert dat de deeltjes verbonden zijn door een diepe relatie. Supersymmetrie suggereert dat elk deeltje een “superpartner” heeft met dezelfde massa, maar tegengestelde spin. Helaas hebben deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) in het Zwitserse Cern geen bewijs voor supersymmetrie gevonden, hoewel ze daar expliciet voor zijn ontworpen.

Anderzijds zijn er recente aanwijzingen van zowel de LHC als Fermilab in de VS dat er een vijfde natuurkracht zou kunnen bestaan. Als deze resultaten kunnen worden gerepliceerd en bevestigd als werkelijke ontdekkingen, zou dat gevolgen hebben voor het verenigen van kwantummechanica en zwaartekracht.

“Ik denk dat [the discovery of a new force] verbazingwekkend zou zijn,” zegt Vedral. “Het zou dit ding dat nu al meer dan een halve eeuw bestaat, dat er vier fundamentele krachten zijn, ter discussie stellen.”

Vedral stelt dat het eerste wat we moeten doen als we een vijfde kracht ontdekken, is vaststellen of die kan worden beschreven door de kwantummechanica.

Zo ja, dan zou dat erop wijzen dat de kwantumtheorie uiteindelijk fundamenteler zou kunnen zijn dan de algemene relativiteit, met een verklaring voor vier van de vijf krachten – wat suggereert dat de algemene relativiteit uiteindelijk gewijzigd zou moeten worden. Als dat niet zo is, zou dat de natuurkunde op zijn kop zetten – en suggereren dat we misschien ook de kwantummechanica moeten aanpassen.

Hoe zit het met andere mysterieuze eigenschappen?

Maar wat zou een theorie van alles moeten omvatten? Zou het voldoende zijn om zwaartekracht en kwantummechanica te verenigen? En hoe zit het met andere mysterieuze eigenschappen zoals donkere energie, die ervoor zorgt dat het universum versneld uitdijt, of donkere materie, een onzichtbare substantie die het grootste deel van de materie in het universum uitmaakt?

Zoals Chanda Prescod-Weinstein, assistent-professor natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van New Hampshire in de VS, uitlegt, gebruiken natuurkundigen liever de term “theorie van de kwantumzwaartekracht” dan “theorie van alles”.

“Donkere materie en donkere energie vormen het grootste deel van de materie-energie-inhoud in het universum. Het is dus niet echt een theorie van alles als het niet het grootste deel van de materie-energie-inhoud in het universum verklaart,” betoogt ze. “Daarom ben ik blij dat we in ons werk eigenlijk geen ’theorie van alles’ gebruiken.”

Hoewel ze misschien niet alles verklaren, bestaan er verschillende voorgestelde theorieën over kwantumzwaartekracht. Eén daarvan is de snaartheorie, die suggereert dat het universum uiteindelijk bestaat uit kleine, vibrerende snaren. Een andere is luskwantumzwaartekracht, die suggereert dat Einsteins ruimte-tijd voortkomt uit kwantumeffecten.

“Een van de sterke punten waar mensen op zullen wijzen bij de snaartheorie is dat de snaartheorie voortbouwt op de kwantumveldentheorie,” legt Prescod-Weinstein uit. “Het brengt het hele standaardmodel met zich mee, wat luskwantumzwaartekracht niet op dezelfde manier doet.” Maar de snaartheorie heeft ook zijn zwakheden, stelt ze, zoals het vereisen van extra dimensies waar we nooit enig bewijs voor hebben gezien.

De theorieën zijn moeilijk experimenteel te testen – ze vereisen veel meer energie dan we in een laboratorium kunnen produceren. Vedral stelt dat, hoewel we uiteindelijk niet direct de kleine schalen kunnen onderzoeken die nodig zijn om bewijs te vinden voor theorieën over kwantumzwaartekracht, het misschien mogelijk is om zulke effecten te versterken, zodat we ze indirect kunnen waarnemen op grotere schalen met table-top experimenten.

U kunt naar Great Mysteries of Physics luisteren via een van de bovenstaande apps, onze RSS-feed, of u kunt hier vinden hoe u anders kunt luisteren. U kunt hier ook een transcriptie van de aflevering lezen.

Het Gesprek

Vlatko Vedral werd gefinancierd door de Templeton Foundation en de Moore Foundation. Chanda Prescod-Weinstein werd gefinancierd door de NSF, DoE, NASA, FQxI en de Heising-Simons Foundation. Zij is lid van de American Physical Society, de American Astronomical Society, FQxI, NASEM Elementary Particle Physics: Comité voor vooruitgang en belofte

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.