Voorbij Einstein: experimenteel bewijs

Een revolutionair nieuwe theorie belooft ruimtetijd en de kwantumwereld met elkaar in verbinding te brengen. Hierbij wordt uitgegaan van impulsruimte. Zijn de eerste bewijzen al gevonden? En, nog veel hallucinerender: nemen verschillende waarnemers een verschillende geschiedenis waar?

Lees ook Voorbij Einsteins ruimtetijd: de theorie

Verleden ligt niet vast
Relatieve lokaliteit heeft de nodige voordelen. Zo kan een lastige puzzel, de informatieparadox van een zwart gat, worden opgelost. Deze komt  in het kort hierop neer. Stephen Hawking berekende in de jaren zeventig dat zwarte gaten langzaam ‘verdampen’ en uiteindelijk in het niets oplossen. Hierbij is er geen spoor te vinden van de dingen die ooit door het zwarte gat opgeslokt zijn.  Dit is in strijd met wat kwantummechanica hierover zegt. Informatie kan niet verdwijnen in het niets.

Volgens Smolin verklaart relatieve lokaliteit hoe deze informatie verloren gaat. Zwarte gaten van enkel zonsmassa’s verdampen in een extreem lange tijd. Als je in deze extreem lange tijd terugkijkt, merk je dat de locaties in dit extreem verre verleden zo wazig en onzeker zijn geworden dat er geen manier is om te vertellen of een voorwerp werkelijk in het zwarte gat is gevallen of het net gemist heeft.

Aanwijzingen ontdekt die de theorie bevestigen
Er blijven de nodige vragen open. Hoe weten we of de impulsruimte werkelijk gekromd is? Om het antwoord te vinden heeft het team verschillende experimenten voorgesteld. Een voorbeeld: het waarnemen van extreem ver verwijderde gammaflitsen. Als de impulsruimte op een niet-metrische manier gekromd is, komt een foton met een grotere impuls (dus meer energie) later aan dan een minder energierijk foton. Dit effect is inderdaad in 2005 waargenomen met een gammatelescoop op de Canarische Eilanden en is in 2008 bevestigd door NASA’s Fermi gammatelescoop. Het is alleen nog niet duidelijk of dit effect het gevolg is van gekromde impulsruimte of onbekende eigenschappen van de explosies zelf. Misschien dat de energie-arme straling een paar seconden voor de energierijke straling wordt uitgezonden.

Gelukkig is er een goede manier om hier snel achter te komen. Het recept gaat ongeveer als volgt. Verzamel een enorme hoeveelheid gammaflitswaarnemingen. Als de vertraging van energierijke straling bij elke gammaflits even groot is, ligt de oorzaak in het proces zelf. Als het een gevolg is van het bestaan van relatieve lokaliteit, betekent een kleinere afstand een kleiner tijdsverschil. Het team wacht daarom in spanning op meer waarnemingen van Fermi.

Wat laat de impulsruimte krommen?
In de algemene relativiteitstheorie laat impuls en energie in de vorm van massa ruimtetijd vervormen. Maar stel dat je uitgaat van impulsruimte. Kunnen ruimte en tijd op een bepaalde manier de impulsruimte laten krommen? Misschien dat het werk van Shahn Majid, wiskundig fysicus aan de Queen Mary University van Londen, wat aanwijzingen heeft. Hij toonde in de negentiger jaren aan dat gekromde impulsruimte equivalent is aan ruimtetijd, maar met een bijzondere eigenschap. Het is namelijk een ruimte waarin je op een andere plek uitkomt als je vijf stappen vooruit en twee naar links doet, dan als je twee stappen naar links doet en dan pas vijf naar voren. Wiskundigen noemen dit een niet-commutatieve ruimte. Hierdoor ontstaat een bepaalde onzekerheid. En laat onzekerheid nu net een fundamenteel onderdeel van kwantummechanica zijn.

‘Impulsruimte is kwantummechanische ruimte’
Kwantummechanica verschilt van klassieke natuurkunde door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Leg je de impuls van een deeltje vast door het te meten, dan maak je hiermee zijn positie compleet onzeker en andersom. De volgorde waarmee je positie en moment meet, doet hier ter zake. Je krijgt een andere uitkomst als je de twee metingen omdraait. Volgens Majid volgt hieruit dat ‘gekromde impulsruimte’ niets anders dan kwantummechanische ruimtetijd is.

Majid gaat verder. Hij denkt dat er ook een omgekeerd verband is. De kromming van ruimtetijd – waar volgens Einstein zwaartekracht op neerkomt – zou volgens hem wel eens als gevolg kunnen hebben dat de impulsruimte ook kwantum is. Het model van Smolin en zijn team bevat nog geen zwaartekracht, maar is deze eenmaal toegevoegd, dan voorspelt Majid dat waarnemers het ook niet eens zullen worden op waarnemingen in impulsruimte. Maar welke  ruimte is nu werkelijk? Ruimtetijd of impulsruimte?

Ruimtetijd en kwantumruimte vormen achtdimensionale faseruimte
Smolin denkt dat we in een achtdimensionale faseruimte leven die alle mogelijke waardes van positie, tijd, energie en moment omvat. In de relativiteitstheorie is wat één waarnemer als ruimte ziet, voor de andere waarnemer tijd en andersom, want beide maken deel uit van de universele ruimtetijd. In Smolins beeld van kwantumzwaartekracht ziet de ene waarnemer als ruimtetijd wat de andere waarnemer als impulsruimte waarneemt en maken beide onderdeel uit van de acht-dimensionale onveranderlijke ruimte. Maar hoe zouden de puzzelstukken van ruimtetijd en impulsruimte in elkaar kunnen passen?

Hierover meer in het derde en laatste deel.

Bron
Beyond space-time: Welcome to phase space, Newscientist.com (2011)