Hoe zwaartekrachtgolven ons kunnen leiden naar de heilige graal van de moderne fysica

Het houdt je ferm met beide benen op de grond, laat appels uit bomen kukelen en dirigeert de kosmische dans tussen hemellichamen als de aarde, de zon en de maan. En toch is zwaartekracht misschien wel de slechtst begrepen kracht uit de moderne fysica.

De zoektocht naar de ware aard van die zwaartekracht heeft zich de afgelopen decennia ontpopt tot de heilige graal van de natuurkunde. Wie zwaartekracht écht snapt, zet namelijk een ferme stap richting een dieper begrip van de werkelijkheid om ons heen.

Tegen die achtergrond lanceerden drie prominente theoretisch natuurkundigen, onder wie Nobelprijswinnaar Frank Wilczek, onlangs een prikkelend nieuw idee. In het statige fysicablad Physical Review Letters schreven ze dat de diepere aard van zwaartekracht mogelijk schuilgaat in zogeheten zwaartekrachtgolven, de trillingen van ruimte en tijd die onder meer ontstaan wanneer diep in de kosmos zware voorwerpen zoals zwarte gaten op elkaar klappen.

Fundamentele natuurkrachten

Eerst een stap terug. De natuurkunde onderscheidt vier fundamentele natuurkrachten. Naast zwaartekracht zijn dat de elektromagnetische kracht, onder meer verantwoordelijk voor licht en elektriciteit, de sterke kernkracht, die ervoor zorgt dat atomen niet uit elkaar vallen, en de zwakke wisselwerking, die zwaardere deeltjes tot lichtere deeltjes laat vervallen.

En hoewel die laatste drie nogal esoterisch klinken, zijn het juist deze – en niet de vertrouwde zwaartekracht – die door fysici goed begrepen worden. Ze zijn beschreven in het zogeheten standaardmodel van de deeltjesfysica, het wiskundig model dat alle elementaire bouwsteentjes van de werkelijkheid én de bijbehorende krachten vangt in een formule die past op een T-shirt of koffiemok.

In die beschrijving heeft elke kracht een bijbehorend ‘krachtdragend deeltje’ – een boson, in vakjargon – dat ervoor zorgt dat de kracht in de praktijk werkt. Voor de elektromagnetische kracht is dat bijvoorbeeld het foton, een lichtdeeltje. Daarom menen veel fysici dat óók de zwaartekracht zo’n boson moet hebben. En hoewel niemand dat deeltje ooit heeft gezien, heeft het wel al een naam: het graviton.

‘Eigenlijk is er niemand die twijfelt of zo’n graviton echt bestaat’, zegt theoretisch natuurkundige Erik Verlinde (Universiteit van Amsterdam). ‘Maar zoals dat gaat in de wetenschap: je wilt het dan wel nog even zien.’ En dat is waar het nieuwe artikel van Wilczek en collega’s ten tonele verschijnt. Volgens hen moet het mogelijk zijn om de handtekening van gravitonen terug te vinden in zwaartekrachtgolven.

Ruis achter de golven

Weer even terug naar dat standaardmodel. Dat maakt bovenal gebruik van de quantumtheorie, de verzameling natuurwettten die het maffe gedrag van de deeltjeswereld beschrijven. Alleen: een quantumtheorie van de zwaartekracht bestaat nog niet. Een van de belangrijkste redenen is dat het energieniveau waarbij de quantuminvloed op zwaartekracht pas écht gaat opvallen zo belachelijk hoog is dat dat in de praktijk nauwelijks voorkomt. Behalve dan bij de kosmische botsingen die ruimte en tijd zodanig laten rillen dat je de resulterende zwaartekrachtgolven op aarde kunt meten.

‘Deze natuurkundigen – ik werk zelf af en toe samen met eerste auteur Maulik Parikh, met wie ik dit idee wel vaker besproken heb – hadden een bijzonder interessant idee: hoeveel gravitonen zouden er in één zo’n zwaartekrachtgolf zitten en hoe zou je die kunnen meten?’, zegt Verlinde, zelf niet direct bij het onderzoek betrokken.

In de quantumwereld is de werkelijkheid op het meest fijnmazige niveau namelijk niet glad, maar korrelig – een bruisende, voor onze zintuigen compleet bizarre omgeving waarin deeltjes in en uit de werkelijkheid knipperen. Die zogeheten quantumfluctuaties zouden volgens het nieuwe artikel kenmerkend gedrag van gravitonen moeten veroorzaken waarvan de handtekening achterblijft in de gemeten zwaartekrachtgolven. ‘Ze zouden te zien moeten zijn als een kenmerkend soort ruis’, zegt Verlinde. Meet je in verschillende detectoren tegelijk exact die ruis, dan weet je zeker dat het gaat om het gezochte signaal.

Volgens de auteurs zouden de signalen zélfs te zien moeten zijn in de huidige zwaartekrachtgolfdetectoren Ligo, op twee plaatsen in de Verenigde Staten, en Virgo in Italië. Toch twijfelt Verlinde of je zo’n meting nu al hard kunt maken. ‘Ik denk dat er maar een kleine kans is dat zoiets al zou lukken. Ik acht de kans groter bij de geplande nieuwe generatie zwaartekrachtgolfdetectoren, die een stuk nauwkeuriger kunnen meten.’

Dat wil overigens niet zeggen dat experimentatoren niet moeten zoeken, benadrukt hij. ‘Al was het maar omdat je in een poging deze signalen te vinden vanzelf methoden ontwikkelt die metingen met de huidige detectoren nog nauwkeuriger kunnen maken’, zegt hij.

Hard bewijs

Het is vooralsnog heel zeldzaam dat theoretische ideeën over quantumzwaartekracht in experimenten kunnen worden getoetst. Terwijl experimenten juist de hoeksteen zijn van onze natuurkundige kennis: pas als je iets hebt gemeten in de echte wereld, weet je zeker dat het bestaat. ‘Met onder meer Parikh zit ik daarom in een consortium dat nadenkt over meetbare signalen van quantumzwaartekracht’, zegt Verlinde. ‘Wij denken dat zulk soort signalen detecteerbaar zijn. Steeds meer mensen nemen dat nu serieus.’ De vondst van de voorspelde ruis achter de zwaartekrachtgolven is dan een mooie eerste stap, meent Verlinde. ‘Het zou het eerste harde bewijs zijn dat de zwaartekracht écht quantummechanisch is’, zegt hij.

Als dat inderdaad zo is, is het slechts een kwestie van tijd totdat fysici de formule op hun mokken en T-shirts eindelijk kunnen aanvullen met een fijnmazige beschrijving van de zwaartekracht.