De magische kubus

Share Button

Er zijn drie fundamentele natuurconstanten: de lichtsnelheid, de constante van Planck en de sterkte van de zwaartekracht. Samen vormen ze de drie dimensies van een magische kubus. Zeven van de acht hoekpunten krijgen (of kregen) veel aandacht van wetenschappers. Wat verbergt zich achter de achtste hoekpunt?

Newtons twee hoekpunten
Alle grote natuurkundetheorieën die met ruimte, tijd en kwantummechanica te maken hebben, zijn onder te brengen in een kubus. Je gaat uit van de klassieke theorie van Isaac Newton die je van de middelbare school kent: krachten, versnellingen en dergelijke.

Alle fundamentele natuurkundige theorieën bevinden zich in één van de zeven gebruikte hoekpunten. Wat ligt er in de ontbrekende hoekpunt?

Alle fundamentele natuurkundige theorieën bevinden zich in één van de zeven gebruikte hoekpunten. Wat ligt er in de ontbrekende hoekpunt?

Newton “ontdekte” de zwaartekracht (althans: was de eerste die zich afvroeg waarom  voorwerpen omlaag vallen). Vandaar dat de twee achterste hoekpunten onder, Newtons mechanica en Newtons zwaartekrachtstheorie, voor zijn rekening komen. Als je aan Newtons klassieke theorie de zwaartekrachtsconstante G toevoegt, krijg je namelijk Newtons zwaartekrachtstheorie. Een aantal eeuwen voldeed deze heel aardig en voor het alledaagse leven in feite nog steeds.

Einstein en de lichtsnelheid
Eind negentiende eeuw werd ontdekt dat licht een (in het vacuüm) onveranderlijke snelheid heeft: c. Einstein werkte deze gedachte in 1905 verder uit in de speciale relativiteitstheorie, die beschrijft wat er met dingen in de buurt van de lichtsnelheid gebeurt. Enkele jaren later volgde de algemene relativiteitstheorie, waar ook de zwaartekracht in is verwerkt. Dit zijn de twee voorste hoekpunten beneden. Atoomklokken en GPS werken alleen omdat rekening wordt gehouden met de speciale en algemene relativiteitstheorie. Deze vier hoekpunten zijn de klassieke natuurkunde.

Kwantumraadsels
Omstreeks die tijd dook ook de constante van Planck, h, op. De consequenties van het bestaan van quanta (h is hierin de elementaire eenheid) brachten natuurkundigen totaal tot wanhoop. Uiteindelijk ontstond de kwantummechanica, nog steeds een slecht begrepen en moeilijk te bevatten theorie die geregeld nieuwe absurditeiten oplevert. Wel is bijvoorbeeld kwantumelektrodynamica de nauwkeurigste theorie ooit.
Alle theorieën waar de constante van Planck een rol in speelt, bevinden zich in het bovenste vlak van de kubus. Toen de kwantummechanica werd uitgebreid met Einsteins speciale relativiteitstheorie, ontstond bijvoorbeeld het Standaardmodel, dat alle bekende deeltjes in de natuur beschrijft, het hoekpunt linksboven.

Snaartheorie of snaarsciencefiction?
Volgens veel natuurkundigen hebben ze een theorie van alles gevonden die ze snaartheorie noemen. Deze verenigt het standaardmodel en de algemene relativiteitstheorie, althans: dat is de bedoeling. De resultaten zijn niet echt denderend: er is na veertig jaar gereken en wiskunstig geworstel nog steeds geen voorspelling met de snaartheorie gedaan die je met bijvoorbeeld een deeltjesversneller kan toetsen. In de meeste wetenschappen is dit een doodzonde. Niettemin is de theorie nog steeds erg populair onder de beoefenaars er van.

Het onbekende hoekpunt
Oplettende lezers hebben al gezien dat er één hoekpunt in de nevels verborgen blijft. Geen enkele natuurkundige heeft geprobeerd om een theorie te beschrijven die kwantummechanica en zwaartekracht (zonder relativistische effecten) met elkaar in overeenstemming brengt. We weten daarom nog steeds niet wat zwaartekracht op kwantumniveau precies voorstelt. Wat is de kwantummechanische oorzaak van massa? En zijn er misschien meer kwantummechanische effecten die in het dagelijks leven optreden, maar die onopgemerkt blijven? Waarom wordt hier geen onderzoek naar gedaan? Is dit geen slimmere route naar de theorie van alles?

Bron:
De natuurwetten, iconen van onze kennis, Sander Bais (ISBN 90 5356 714 3, NUR 616/754)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

7 reacties

  1. Lennart schreef:

    Zou de entropische theorie van Erik Verlinde niet bij dat hoekpunt horen? Dat gaat over hoe Newtoninaanse zwaartekracht zou volgen uit thermodynamica en wat QM, alhoewel E=mc2 ook gebruikt wordt… :P

  2. kaatje schreef:

    Ik blijf er maar niets van snappen.
    Kan iemand dat in normale mensentaal uitleggen?

    • Barry schreef:

      Kaatje,

      Germen heeft het al zo simpel mogelijk opgeschreven, als jij precies opschrijft wat je niet snapt dan zal ik mijn best voor je doen om het anders te verwoorden.

  3. André schreef:

    quote:Geen enkele natuurkundige heeft geprobeerd om een theorie te beschrijven die kwantummechanica en zwaartekracht (zonder relativistische effecten) met elkaar in overeenstemming brengt.

    Volgens mij zijn er al velen die het geprobeerd hebben maar nog niemand is er in geslaagd.

    Waarom heb je in dit artikel gekozen voor een vierkant en niet voor een ander figuur met meer hoeken? Ik mis ook nog dat niemand in geslaagd is om een theorie de overige dimensies te beschrijven en die horen er ook nog in thuis.

  4. Haushofer schreef:

    Er wordt hier wel degelijk onderzoek naar gedaan, zie bijvoorbeeld artikelen van Kuchar. Wat je ook zou kunnen doen is kwantumgravitatie onderzoeken in het Newtoniaanse regime (waar c naar oneindig gaat en G naar 0, en waarbij de velden statisch zijn), zoals mensen als Christian Joy doen. Echter, dit leert je weinig over kwantumgravitatie; je verliest de notie van zwaartekrachtsgolven. Je kunt dit vergelijken met de standaard behandeling van het waterstofatoom in de QM; dat leert je niks over QED, aangezien je de vrijheidsgraden van het elektrische veld niet kwantiseert zoals je in QED doet. 
     
    Wat snaartheorie überhaupt zo interessant maakt, is dat het een theorie van kwantumgravitatie lijkt te geven waarmee je daadwerkelijk b.v. verstrooiingsprocessen kunt berekenen. Dat kan zover ik weet met Loop Quantum Gravity bijvoorbeeld (nog) niet.

  5. Haushofer schreef:

    Met andere woorden: de uitspraak
     
    “Geen enkele natuurkundige heeft geprobeerd om een theorie te beschrijven die kwantummechanica en zwaartekracht (zonder relativistische effecten) met elkaar in overeenstemming brengt”
     
    is domweg niet waar. Zie b.v. http://arxiv.org/abs/gr-qc/9701013. Maar je moet je ook afvragen wat voor inzichten zo’n theorie je zou geven. Zoals ik hierboven zei, zijn die inzichten hoogstwaarschijnlijk nogal beperkt. Een beetje meer literatuuronderzoek zou dus geen kwaad kunnen ;)

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger