Iets meer dan een week geleden maakten Europese natuurkundigen bekend dat ze de zwaartekracht op de kleinste schaal ooit hadden gemeten.

In een slim tafelmodelexperiment hebben onderzoekers van de Universiteit Leiden in Nederland, de Universiteit van Southampton in Groot-Brittannië en het Instituut voor Fotonica en Nanotechnologie in Italië een kracht van ongeveer 30 attonewton gemeten op een deeltje met iets minder dan een halve milligram massa. Een attonewton is een miljardste van een miljardste van een newton, de standaardeenheid van kracht.

De onderzoekers zeggen dat het werk "meer geheimen over de structuur van het universum zou kunnen ontsluiten" en een belangrijke stap zou kunnen zijn in de richting van de volgende grote revolutie in de natuurkunde.

Maar waarom is dat? Het gaat niet alleen om het resultaat:het gaat om de methode, en wat die zegt over een pad voorwaarts voor een tak van wetenschap die volgens critici vastzit in een spiraal van stijgende kosten en afnemende opbrengsten.

Zwaartekracht

Vanuit het standpunt van een natuurkundige is de zwaartekracht een uiterst zwakke kracht. Dit lijkt misschien vreemd om te zeggen. Het voelt niet zwak als je 's ochtends uit bed probeert te komen!

Maar vergeleken met de andere krachten die we kennen – zoals de elektromagnetische kracht die verantwoordelijk is voor het samenbinden van atomen en voor het genereren van licht, en de sterke kernkracht die de kernen van atomen bindt – oefent de zwaartekracht een relatief zwakke aantrekkingskracht uit tussen objecten.

En op kleinere schaal worden de effecten van de zwaartekracht steeds zwakker.

Het is gemakkelijk om de effecten van de zwaartekracht te zien voor objecten ter grootte van een ster of planeet, maar het is veel moeilijker om de zwaartekrachteffecten te detecteren voor kleine, lichte objecten.

De noodzaak om de zwaartekracht te testen

Ondanks de moeilijkheid willen natuurkundigen de zwaartekracht echt op kleine schaal testen. Dit komt omdat het zou kunnen helpen bij het oplossen van een eeuwenoud mysterie in de huidige natuurkunde.

De natuurkunde wordt gedomineerd door twee uiterst succesvolle theorieën.

De eerste is de algemene relativiteitstheorie, die zwaartekracht en ruimtetijd op grote schaal beschrijft. De tweede is de kwantummechanica, een theorie van deeltjes en velden (de fundamentele bouwstenen van materie) op kleine schaal.

Deze twee theorieën zijn in sommige opzichten tegenstrijdig, en natuurkundigen begrijpen niet wat er gebeurt in situaties waarin beide van toepassing zouden moeten zijn. Eén doel van de moderne natuurkunde is om de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica te combineren tot een theorie van 'kwantumzwaartekracht'.

Een voorbeeld van een situatie waarin kwantumzwaartekracht nodig is, is om zwarte gaten volledig te begrijpen. Deze worden voorspeld door de algemene relativiteitstheorie – en we hebben enorme gaten in de ruimte waargenomen – maar kleine zwarte gaten kunnen ook op kwantumschaal ontstaan.

Op dit moment weten we echter niet hoe we de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica samen moeten brengen om een ​​beeld te geven van hoe de zwaartekracht, en dus zwarte gaten, werken in het kwantumrijk.

Nieuwe theorieën en nieuwe gegevens

Er zijn een aantal benaderingen van een potentiële theorie van de kwantumzwaartekracht ontwikkeld, waaronder de snaartheorie, de lus-kwantumzwaartekracht en de causale verzamelingenleer.

Deze benaderingen zijn echter volledig theoretisch. We hebben momenteel geen enkele manier om ze via experimenten te testen.

Om deze theorieën empirisch te testen, hebben we een manier nodig om de zwaartekracht te meten op zeer kleine schaalniveaus waar kwantumeffecten domineren.

Tot voor kort was het uitvoeren van dergelijke tests buiten bereik. Het leek erop dat we heel grote apparaten nodig zouden hebben:zelfs groter dan 's werelds grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider, die hoogenergetische deeltjes rond een lus van 27 kilometer stuurt voordat ze tegen elkaar botsen.

Tabletop-experimenten

Daarom is de recente kleinschalige meting van de zwaartekracht zo belangrijk.

Het experiment dat Nederland en Groot-Brittannië gezamenlijk uitvoeren, is een 'tafelmodel'-experiment. Er waren geen enorme machines voor nodig.

Het experiment werkt door een deeltje in een magnetisch veld te laten zweven en er vervolgens een gewicht langs te laten zwaaien om te zien hoe het als reactie daarop "wiebelt".

Dit is analoog aan de manier waarop de ene planeet "wiebelt" wanneer deze langs een andere planeet slingert.

Door het deeltje met magneten te laten zweven, kan het worden geïsoleerd van veel van de invloeden die het detecteren van zwakke zwaartekrachtinvloeden zo moeilijk maken.

Het mooie van dit soort tafelexperimenten is dat ze geen miljarden dollars kosten, waardoor een van de belangrijkste obstakels voor het uitvoeren van kleinschalige zwaartekrachtexperimenten en mogelijk voor het boeken van vooruitgang in de natuurkunde wordt weggenomen. (Het laatste voorstel voor een grotere opvolger van de Large Hadron Collider zou 17 miljard dollar kosten.)

Werk te doen

Tafelexperimenten zijn veelbelovend, maar er is nog werk aan de winkel.

Het recente experiment komt dicht in de buurt van het kwantumdomein, maar komt daar niet helemaal. De betrokken massa's en krachten zullen nog kleiner moeten zijn om te ontdekken hoe de zwaartekracht op deze schaal werkt.

We moeten ook voorbereid zijn op de mogelijkheid dat het misschien niet mogelijk zal zijn om tabletop-experimenten zo ver te brengen.

Er kan toch een technologische beperking zijn die ons ervan weerhoudt experimenten met de zwaartekracht op kwantumschaal uit te voeren, waardoor we terugdringen in de richting van het bouwen van grotere botsers.

Terug naar de theorieën

Het is ook de moeite waard om op te merken dat sommige theorieën over kwantumzwaartekracht die getest kunnen worden met behulp van tabletop-experimenten zeer radicaal zijn.

Sommige theorieën, zoals luskwantumzwaartekracht, suggereren dat ruimte en tijd op zeer kleine schaal of bij hoge energieën kunnen verdwijnen. Als dat waar is, is het misschien niet mogelijk om experimenten op deze schaal uit te voeren.

Experimenten zoals wij die kennen, zijn immers dingen die op een bepaalde plaats en in een bepaald tijdsinterval plaatsvinden. Als dit soort theorieën kloppen, moeten we misschien de aard van het experimenteren heroverwegen, zodat we er betekenis aan kunnen geven in situaties waarin ruimte en tijd ontbreken.

Aan de andere kant kan het feit dat we eenvoudige experimenten met zwaartekracht op kleine schaal kunnen uitvoeren erop wijzen dat ruimte en tijd toch aanwezig zijn.

Welke zal waar blijken? De beste manier om daar achter te komen is om door te gaan met tabletop-experimenten en deze zo ver mogelijk te pushen.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.