Weg met de ruimtetijd

Een van de centrale uitgangspunten van de twintigste-eeuwse natuurkunde is Einsteins algemene relativiteitstheorie. Deze zegt dat ruimte en tijd niet los van elkaar gezien kunnen worden. Ze zijn samen verwoven in een vierdimensionale structuur die we ruimtetijd noemen. Bovendien zei Einstein dat ruimtetijd niet absoluut is maar relatief. De ruimtetijd kan vervormd worden door zware objecten zoals sterren, die door hun zwaartekrachtsvelden voor 'krommingen' in de structuur zorgen. Alles goed en wel, maar Einsteins relativiteitstheorie heeft sindsdien één grote vijand, de kwantummechanica. Dit is de natuurkundige theorie die het gedrag van de allerkleinste deeltjes beschrijft. Het probleem is dat op kwantumschaal allerlei vreemde onzekerheden en fluctuaties meespelen die prima in wiskundige formules op te schrijven zijn, maar zodra ze gecombineerd worden met de relativiteitstheorie onzin opleveren. Er zijn al talloze exotische theorieën bedacht om de twee met elkaar te combineren, waaronder de veelbelovende snaartheorie, maar tot nu toe zonder goed resultaat.

Petr Horava, een natuurkundige van Berkley University, kwam tot een geheel nieuw inzicht bij het bestuderen van grafiet, het materiaal waarvan potloden zijn gemaakt. Hij ontdekte dat de electronen daarin zich rustig gedragen bij kamertemperatuur. Hun bewegingen zijn prima te omschrijven met kwantummechanica, en omdat ze zich slechts met een fractie van de lichtsnelheid bewegen, spelen relativistische effecten nauwelijks een rol. Maar toen Horava de koolstofatomen afkoelde tot slechts een paar graden boven het absolute nulpunt, gebeurde er iets vreemds. De electronen begonnen rond te schieten met bijna de snelheid van het licht. Bij zulke hoge snelheden gaan relativistische effecten een rol spelen, in het bijzonder de zogenaamde Lorentz-symmetrie.*

Horava vroeg zich af of wat hij in zijn koolstof waarnam, niet ook kan gelden voor het hele heelal. Bij de oerknal was het heelal uitzonderlijk heet. Pas toen het heelal afkoelde begon de Lorentz-symmetrie (en daarmee de effecten van de relativiteitstheorie) een rol te spelen. Horava paste Einsteins formules zo aan dat de Lorentz-symmetrie geen rol meer speelt. Wat overbleef was een set formules waarmee hij de zwaartekracht op kwantumschaal kon beschrijven, zonder de onzinnige uitkomsten van voorheen. Allerlei wetenschappers zijn razend enthousiast over het idee van Horava. Het kan het begin zijn van een oplossing op vragen over donkere materie, donkere energie en zwarte gaten. Bovendien geeft Horava de tijd een specifieke richting. In Einsteins vergelijkingen heeft de tijd geen richting (terwijl we die wel waarnemen, namelijk van verleden naar toekomst)
* Een van de kenmerken van de relativiteitstheorie is iets wat Lorentz-symmetrie wordt genoemd. Dit zorgt dat de lichtsnelheid voor alle waarnemers altijd gelijk is. Hoe snel een waarnemer zelf ook beweegt, deze symmetrie zorgt dat de tijd langzamer gaat lopen en het licht doet zodoende altijd even lang over het afleggen van een afstand. Ruimte en tijd zijn symmetrisch, ze passen zich aan elkaar aan.

Bron(nen): New Scientist