Basisstructuur van de kosmos/Quantummechanica versus algemene relativiteitstheorie: problemen

 In voorbereiding hierop kan eventueel eerst de module Kwantummechanica worden gelezen.

Mogelijk behorend tot de grootste problemen binnen de theoretische natuurkunde die tot op heden nog niet zijn opgelost zijn de conflicten tussen de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Wanneer wordt geprobeerd deze twee disciplines tot één geheel te combineren levert dit bijvoorbeeld oneindig grote uitkomsten of een waarschijnlijkheidspercentage groter dan 100% op. Dit zijn antwoorden die in de reële wereld geen enkele betekenis hebben.

Toch is deze koppeling absoluut noodzakelijk, aangezien alle verschijnselen in het heelal die aan de hand van de kwantummechanica kunnen worden beschreven onlosmakelijk zijn verbonden met de dingen die aan de hand van de algemene relativiteitstheorie kunnen worden beschreven. De elementaire deeltjes die tegenwoordig als kwanta bekend staan maken juist dankzij hun typische kwantummechanische eigenschappen zeer elementaire processen als het ontstaan van sterren en planeten - zonder welke het heelal zoals we dat kennen onmogelijk zou kunnen bestaan - mogelijk. Daarom zijn natuurkundigen tegenwoordig op zoek naar een nieuwe theorie die het mogelijk maakt tegelijkertijd de verschijnselen binnen de kwantummechanica en de verschijnselen die rechtstreeks verband houden met de algemene relativiteitstheorie (je zou ook kunnen zeggen: zowel op de allerkleinste als op de allergrootste schaal van alles wat in de kosmos bekend is) te verklaren, zonder dat dit tegenstrijdigheden tussen de twee disciplines oplevert.

De kwantummechanica: onzekerheidsprincipe en waarschijnlijkheidsgolven

Niels Bohr en Erwin Schrödinger ontwikkelden samen met een aantal andere natuurkundigen tevens de theorie van het onzekerheidsprincipe en de waarschijnlijkheidsgolven. Deze theorie stelt in het kort dat nooit met zekerheid kan worden bepaald op welke plek een elektron zich op een bepaald moment bevindt. Er zijn uitsluitend waarschijnlijke en minder waarschijnlijke locaties; het is met andere woorden nooit geheel uitgesloten (hoewel zeer, zeer onwaarschijnlijk) dat een elektron zich van het ene moment op het andere helemaal aan de andere kant van het heelal bevindt. De grootte van een waarschijnlijkheidsgolf op een bepaald tijdstip en op een bepaald punt in de ruimte is recht evenredig met de kans dat het elektron zich daadwerkelijk op dat tijdstip op dat punt bevindt. Dit druist natuurlijk rechtstreeks in tegen de algemene intuïtie.

Het onzekerheidsprincipe werd dan ook verworpen door onder andere Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen, die stelden dat elk deeltje een exact te bepalen plaats en snelheid had en dat de kwantummechanica dus een onvolledige wetenschap was. Het lukte met behulp van deze theorie immers niet om alle eigenschappen van de kwantumdeeltjes te beschrijven.

Een experiment in de jaren 80 van Alain Aspect met detectoren, waarbij vele malen achter elkaar de spins van twee fotonen werden opgemeten, toonde echter onomstotelijk het bestaan van non-lokaliteit aan. De spins bleken elkaar te beïnvloeden doordat ze niet in meer dan 50% van de gemeten gevallen met elkaar overeenkwamen, terwijl er geen enkele vorm van informatie-overdracht tussen de twee fotonen kon hebben plaatsgevonden. Dit betekende dat Einstein, Podolsky en Rosen in dit opzicht ongelijk hadden. Hierdoor veranderde het beeld dat men had van de kwantumwereld drastisch, want het komt er in feite op neer dat kwantumdeeltjes geen vaste, exact meetbare eigenschappen bezitten. De resultaten van het Aspect-experiment kwamen bovendien overeen met wiskundige berekeningen die waren gebaseerd op het onzekerheidsprincipe, dat het plotseling ineenstorten van de waarschijnlijkheidsgolven inhoudt; wanneer een deeltje eenmaal op een bepaalde plaats is aangetroffen, wordt de kans dat het op zich een willekeurige andere plaats in het heelal bevindt onmiddellijk nul. Dit "ineenstorten" vindt echter op elk moment in het hele heelal plaats, en dat betekent dat niet alleen de kwantummechanische wereld maar ook het heelal niet-lokaal van aard is. (Weer een andere natuurkundige, namelijk David Bohm, was al eerder als tussenoplossing met een model gekomen waarin zowel het principe van non-lokaliteit als het bestaan van volledig meetbare eigenschappen verwerkt zaten).

Botsing met de algemene relativiteitstheorie

In de praktijk blijkt dit idee van kwantumfluctuatie met de huidige stand van zaken binnen de theoretische natuurkunde onverenigbaar met de algemene relativiteitstheorie van Einstein, waarin de ruimtetijd als een veel egalere, "gewelfde" meetkundige structuur wordt voorgesteld, in tegenstelling tot de grote chaos die het onzekerheidsprincipe impliceert; gravitatievelden hebben als gevolg van kwantumfluctuaties helemaal geen vaste vorm. Om nu ook deze kloof te overbruggen zijn er sinds het eind van de 20^e eeuw enkele nieuwe theorieën ontwikkeld over hoe de ruimtetijd zich op zeer kleine schaal (dat wil zeggen, als we het hebben over schalen om en nabij de Plancklengte en tijdseenheden in de buurt van de Plancktijd) zou kunnen gedragen, de zogeheten snaartheorieën.

De verschillende versies van de snaartheorie zijn na enige tijd met name dankzij het wiskundige werk van Edward Witten verenigd in een nieuwe theorie die bekend is geworden als de M-theorie. Beide theorieën zullen in de volgende hoofdstukken in hoofdlijnen worden besproken.