Wetenschap
Nieuw werk onthult de kwantumkracht van de zwaartekracht
Zwaartekracht maakt deel uit van ons dagelijks leven. Toch blijft de zwaartekracht mysterieus:tot op de dag van vandaag begrijpen we niet of de uiteindelijke aard ervan geometrisch is, zoals Einstein voor ogen had, of beheerst wordt door de wetten van de kwantummechanica.
Tot nu toe zijn alle experimentele voorstellen om deze vraag te beantwoorden gebaseerd op het creëren van het kwantumfenomeen van verstrengeling tussen zware, macroscopische massa's. Maar hoe zwaarder een object is, des te meer heeft het de neiging zijn kwantumkenmerken kwijt te raken en 'klassiek' te worden, waardoor het ongelooflijk uitdagend wordt om een zware massa zich als een kwantumdeeltje te laten gedragen.
In een onderzoek gepubliceerd in Physical Review X deze week stellen onderzoekers uit Amsterdam en Ulm een experiment voor dat deze problemen omzeilt.
Klassiek of kwantum?
Het succesvol combineren van kwantummechanica en zwaartekrachtfysica is een van de belangrijkste uitdagingen van de moderne wetenschap. Over het algemeen wordt de vooruitgang op dit gebied belemmerd door het feit dat we nog geen experimenten kunnen uitvoeren in regimes waarin zowel kwantum- als zwaartekrachteffecten relevant zijn.
Op een fundamenteler niveau weten we, zoals Nobelprijswinnaar Roger Penrose het ooit uitdrukte, niet eens of een gecombineerde theorie van zwaartekracht en kwantummechanica een ‘kwantisering van de zwaartekracht’ of een ‘gravitatie van de kwantummechanica’ zal vereisen.
Met andere woorden:is de zwaartekracht in wezen een kwantumkracht, waarvan de eigenschappen op de kleinst mogelijke schaal worden bepaald, of is het een ‘klassieke’ kracht waarvoor een geometrische beschrijving op grote schaal volstaat? Of is het toch iets anders?
Het heeft er altijd op geleken dat bij het beantwoorden van deze vragen een centrale rol zou worden gespeeld door het typisch kwantumfenomeen van verstrengeling. Ludovico Lami, wiskundig natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam en QuSoft, zegt:‘De centrale vraag, aanvankelijk gesteld door Richard Feynman in 1957, is om te begrijpen of het zwaartekrachtveld van een massief object een zogenaamde kwantumsuperpositie kan binnengaan, waar het zou zich tegelijkertijd in verschillende staten bevinden.
‘Vóór ons werk was het belangrijkste idee om deze vraag experimenteel te beantwoorden het zoeken naar door zwaartekracht veroorzaakte verstrengeling – een manier waarop verre maar verwante massa’s kwantuminformatie konden delen. Het bestaan van een dergelijke verstrengeling zou de hypothese vervalsen dat het zwaartekrachtveld puur lokaal en klassiek."
Een andere hoek
Het grootste probleem met de eerdere voorstellen is dat verre maar verwante massieve objecten – bekend als gedelokaliseerde staten – een hele uitdaging zijn om te creëren. Het zwaarste object waarvoor tot nu toe kwantumdelokalisatie is waargenomen, is een groot molecuul, veel lichter dan de kleinste bronmassa waarvan het zwaartekrachtveld is gedetecteerd, dat net geen 100 mg bedraagt – meer dan een miljard miljard keer zwaarder. Dit heeft elke hoop op een experimentele realisatie tientallen jaren verdreven.
In het nieuwe werk presenteren Lami en zijn collega's uit Amsterdam en Ulm – interessant genoeg de plaats waar Einstein werd geboren – een mogelijke uitweg uit deze impasse. Ze stellen een experiment voor dat de kwantumkracht van de zwaartekracht zou onthullen zonder enige verstrengeling te veroorzaken.
Lami legt uit:"We ontwerpen en onderzoeken een klasse experimenten waarbij een systeem van enorme 'harmonische oscillatoren' betrokken is, bijvoorbeeld de torsiependula, in wezen zoals degene die Cavendish gebruikte in zijn beroemde experiment uit 1797 om de sterkte van de zwaartekracht te meten. We wiskundig rigoureuze grenzen vaststellen voor bepaalde experimentele signalen voor kwantumheid die een lokale klassieke zwaartekracht niet zou moeten kunnen overwinnen.
"We hebben zorgvuldig de experimentele vereisten geanalyseerd die nodig zijn om ons voorstel in een daadwerkelijk experiment te implementeren, en zijn tot de conclusie gekomen dat, hoewel er nog steeds een zekere mate van technologische vooruitgang nodig is, dergelijke experimenten binnenkort echt binnen handbereik kunnen zijn."
Een schaduw van verstrikking
Verrassend genoeg hebben de onderzoekers voor het analyseren van het experiment nog steeds de wiskundige machinerie van de verstrengelingstheorie in de kwantuminformatiewetenschap nodig. Hoe is dat mogelijk? Volgens Lami:"De reden is dat hoewel er geen fysieke verstrengeling is, deze er in de geest nog steeds is - in precieze wiskundige zin. Het is voldoende dat er verstrengeling had kunnen ontstaan."
De onderzoekers hopen dat hun artikel nog maar het begin is, en dat hun voorstel zal helpen bij het ontwerpen van experimenten die de fundamentele vraag over de kwantumheid van de zwaartekracht veel eerder dan verwacht kunnen beantwoorden.