Twee Finse natuurkundigen hebben een nieuwe kwantumtheorie van de zwaartekracht ontwikkeld die de zwaartekracht beschrijft op een manier die verenigbaar is met het standaardmodel van de deeltjesfysica. Die theorie zou het beter mogelijk maken om te begrijpen  hoe het heelal is ontstaan, alleen zal het bewijs voor die theorie nog moeten worden bewezen.
Er is al heel lang gesleuteld aan een theorie om de zwaartekracht te verklaren binnen het standaardmodel van fundamentele krachten zwaartekracht combineert met de andere fundamentele krachten: elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten. Natuurkundigen hebben er lang mee geworsteld om twee hoekstenen van de moderne natuurkunde te verenigen: de kwantumveldentheorie en Einsteins zwaartekrachttheorie.
Mikko Partanen en Yukka Tulkki van de universiteit van Aalto hebben een nieuwe kwantumtheorie van de zwaartekracht ontwikkeld die de zwaartekracht beschrijft op een manier die die past in het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Hij verwacht dat de bevindingen binnen een paar jaar tot nieuwe inzichten zullen leiden. “Als dit leidt tot een complete kwantumveldentheorie van de zwaartekracht, dan zal het uiteindelijk antwoorden geven op de zeer moeilijke problemen rond het begrijpen van singulariteiten in zwarte gaten en de oerknal”, zegt hij.
“Een theorie die alle fundamentele natuurkrachten coherent beschrijft, wordt vaak de Theorie van Alles genoemd”, zegt Partanen, hoewel hij die term zelf niet graag gebruikt. “Sommige fundamentele vragen in de natuurkunde blijven nog onbeantwoord. Zo verklaren de huidige theorieën nog niet waarom er meer materie dan antimaterie in het waarneembare heelal is.”

IJkveld

De sleutel tot hun vondst was de manier om de zwaartekracht te beschrijven in een geschikte ijktheorie – een soort theorie waarin deeltjes met elkaar wisselwerken via een veld. “Het bekendste ijkveld is het elektromagnetische veld. Wanneer elektrisch geladen deeltjes met elkaar interacteren, interacteren ze via het elektromagnetische veld, wat het relevante ijkveld is”, legt collega Tulkki uit. “Dus wanneer we deeltjes hebben die energie hebben, zouden de interacties die ze hebben, juist omdat ze energie hebben, plaatsvinden via het zwaartekrachtveld.”

Het probleem waar natuurkundigen steeds tegenaan lopen is het vinden van een ijktheorie van de zwaartekracht die verenigbaar is met de ijktheorieën van de andere drie fundamentele krachten (de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht). Het Standaardmodel van de deeltjesfysica is een ijktheorie die deze drie krachten beschrijft en die bepaalde symmetrieën vertoont. Partanen: “Het hoofddoel is om een ​​zwaartekrachtmetertheorie te hebben met een symmetrie die vergelijkbaar is met de symmetrieën van het Standaardmodel, in plaats van de theorie te baseren op de heel andere soort ruimtetijdsymmetrie van de algemene relativiteitstheorie.”
Zonder zo’n theorie kunnen natuurkundigen onze twee krachtigste theorieën, de kwantumveldentheorie en de algemene relativiteitstheorie, niet met elkaar verenigen. De kwantumtheorie beschrijft de wereld van het heel kleine – minuscule deeltjes die op probabilistische wijze met elkaar interacteren – terwijl de algemene relativiteitstheorie de grotere wereld van bekende objecten en hun gravitatie-interactie beschrijft.

Het zijn beschrijvingen van ons universum vanuit verschillende perspectieven en beide theorieën zijn met buitengewone precisie bevestigd maar ze zijn onverenigbaar met elkaar. Bovendien is er, omdat zwaartekrachtwisselwerkingen zwak zijn, meer precisie nodig om echte kwantumzwaartekrachteffecten te kunnen bestuderen dan alleen de algemene relativiteitstheorie, een klassieke theorie.
“Een kwantumtheorie van de zwaartekracht is nodig om te begrijpen wat voor soort verschijnselen er zijn in gevallen waarin er een gravitatieveld en hoge energieën zijn”, zegt Partanen. Dat zijn de omstandigheden rond zwarte gaten en in het zeer vroege heelal, vlak na de oerknal. Daar werken bestaande theorieën in de natuurkunde niet meer.

Nieuwe benadering

Altijd gefascineerd door de grote vragen van de natuurkunde, ontdekte hij een nieuwe, op symmetrie gebaseerde benadering van de zwaartekrachttheorie en begon hij dit idee verder te ontwikkelen met Tulkki. Het resulterende werk heeft het in zich om een ​​heel nieuw tijdperk van wetenschappelijk inzicht te ontsluiten, is de gedachte, net zoals het begrijpen van de zwaartekracht de weg vrijmaakte voor de uiteindelijke ontwikkeling van het gps-systeem.
De theorie zal echter nog wel bewezen moeten worden. Die maakt gebruik van een technische procedure die bekend staat als renormalisatie, een wiskundige manier om om te gaan met oneindigheden die in de berekeningen voorkomen.
Tot nu toe hebben Partanen en Tulkki aangetoond dat dit tot op zekere hoogte werkt – voor zogenaamde ‘eerste orde’-termen – maar ze moeten ervoor zorgen dat de oneindigheden kunnen worden geëlimineerd door de hele berekening. “Als renormalisatie niet werkt voor termen van hogere orde, krijg je oneindig veel resultaten. Het is dus essentieel om aan te tonen dat deze renormalisatie blijft werken”, zegt Tulkki uit. “We moeten nog een volledig bewijs leveren, maar we denken dat het zeer waarschijnlijk is dat we zullen slagen.”

Bron: Science Daily