Wat is kwantumzwaartekracht?

Hoe dit concept de vier fundamentele krachten kan verenigen?

WETENSCHAP FOTOBIBLIOTHEEK, Getty Images

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

Wat is een graviton?

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

Het graviton zou daarom de zwaartekracht bemiddelen. Indien gevonden, wordt verwacht dat het graviton massaloos is (omdat het onmiddellijk op grote afstanden werkt) en spin 2 heeft (omdat zwaartekracht een tweederangs tensorveld is).

Is kwantumzwaartekracht bewezen?

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

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

Pogingen om ze te combineren lopen over het algemeen tegen het 'renormalisatieprobleem' aan, waarbij de som van alle krachten niet opheft en resulteert in een oneindige waarde. In de kwantumelektrodynamica gebeurde dit af en toe, maar men zou de wiskunde kunnen renormaliseren om deze problemen op te lossen. 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 te voorspellen die volgens hen de symmetrieën zou kunnen verklaren die in de huidige natuurkunde worden waargenomen en vervolgens te kijken of die theorieën werken .

Sommige verenigde veldtheorieën die worden geclassificeerd als kwantumzwaartekrachttheorieën zijn onder meer:

• Snaartheorie / Supersnaartheorie / M-theorie
• Superzwaartekracht
• Lus kwantumzwaartekracht
• Twistor-theorie
• Niet-commutatieve meetkunde
• Euclidische kwantumzwaartekracht
• Wheeler-deWitt vergelijking

Het is natuurlijk heel goed mogelijk dat als kwantumzwaartekracht bestaat, het noch eenvoudig noch elegant zal zijn, in welk geval deze pogingen worden benaderd met foutieve aannames en waarschijnlijk onnauwkeurig zijn. Alleen tijd en experimenteren zullen het zeker leren.

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.

Bewerkt doorAnne Marie Helmenstine, Ph.D.