Graviton heeft schizofrene eigenschappen
Zwaartekracht is een buitenbeentje. Niet alleen is deze zwakste van de vier natuurkrachten extreem veel zwakker dan de overige drie (met een klein magneetje kan je de aantrekkingskracht van de hele aarde overwinnen), ook is deze natuurkracht als enige van de vier krachten in staat om de structuur van ruimte en tijd te veranderen en staat de kracht los van het standaardmodel, de drie kwantumveldtheorieën die respectievelijk de sterke kernkracht, de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht beschrijven. De zwaartekracht heeft haar eigen wet: de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Deze theorie beschrijft ook de ruimtetijd waarin de kwantumprocessen van de andere drie theorieën zich afspelen.
Het is nog nooit gelukt zwaartekrachtsdeeltjes, de hypothetische gravitonen, te ontdekken. Er is dus iets wat zwaartekracht fundamenteel anders maakt.
Schizofreen persoonlijkheidsprofiel van het zwaartekrachtsdeeltje
Stel dat zwaartekracht wordt veroorzaakt door een hypothetisch kwantumdeeltje, dat we maar even het graviton zullen noemen, dan moet dit deeltje over een aantal zeer lastig in te passen eigenschappen beschikken.
Traagheid en zwaartekracht
Massa heeft twee fundamentele eigenschappen: het is zwaar (oefent zwaartekracht uit) en het is traag (het kost energie om de snelheid te veranderen). We weten dat zwaartekracht en traagheid uiterst nauw samenhangen (al is door de extreem kleine grootte van de zwaartekracht G, de zwaartekrachtsconstante, met vijf cijfers veel minder nauwkeurig bekend dan bijvoorbeeld de fijnstructuurconstante met elf cijfers). Er is nooit ook maar één statistisch significante afwijking gevonden tussen de traagheid van een voorwerp en de zwaartekrachtwisselwerking die het voorwerp uitoefent. Met andere woorden: gravitonen moeten er zowel voor zorgen dat massa traag is (moeilijk te verslepen) als zwaar (andere massa aantrekt).
Energie wordt massa
Verder van belang is de invloed van snelheid en energie op zwaartekracht. Nucleonen, de verzamelnaam voor protonen, neutronen en hun meer exotische antineefjes en -nichtjes die alleen in deeltjesversnellers voorkomen, bestaan bijvoorbeeld uit drie quarks. Opmerkelijk genoeg zijn de drie quarks samen veel lichter (iets meer dan een procent) dan het totale proton of neutron. De rest van de massa zit in de deeltjes die de quarks uitwisselen, de gluonen, volgens de theorie nul, volgens experimenten in ieder geval kleiner dan elk twee procent van de massa van het nucleon, en, vooral, hun relativistische snelheid. In voorwerpen die bijna met de lichtsnelheid bewegen, neemt de massa (gezien vanaf een stilstaande waarnemer) enorm toe. Een kwantumtheorie van het graviton moet dus verklaren hoe het kan dat een hoge snelheid leidt tot meer gravitonen en ook hoe deze gravitonen meer traagheid opwekken.
Vervorming van ruimte en tijd
Het allerergste komt nu. Volgens de algemene relativiteitstheorie vertraagt de zwaartekracht de tijd en vervormt de ruimte. Als gevolg lijkt voor een waarnemer buiten het zwaartekrachtsveld het licht langzamer te bewegen (en hiermee alle natuurkundige processen). Op aarde gaat de tijd trager dan op grote hoogte. Bijna onmeetbaar, maar exact zoals door Einstein voorspeld, aangetoond met ultranauwkeurige atoomklokken. Rekening houden met relativistische effecten is essentieel voor GPS. Gravitonen hebben dus iets te maken met de fundamentele structuur van ruimtetijd. Hoe meer gravitonen, hoe kleiner de ruimte en hoe trager de tijd, m.a.w. gravitonen lijken ruimtetijd in te doen krimpen.
Met dit signalement op zak zullen we verschillende kandidaten voor de zwaartekracht de revue laten passeren.