Op dit moment wordt er koortsachtig gewerkt aan een theorie over de realiteit voorbij Einsteins ruimtetijd. Een mysterieus kosmisch signaal kan snel de lege plekken opvullen. Vaarwel, ruimtetijd, als een viertal rebelse natuurkundigen gelijk heeft. Welkom, impulsruimte, waarin zelfs het verleden niet vaststaat….
‘Einstein ging niet ver genoeg’
Drie eeuwen lang verkeerden we in de veronderstelling dat ruimte en tijd absoluut en onveranderlijk waren. Toen kwam Einstein, die liet ziet dan de tijd van zeer snel bewegende voorwerpen langzamer verloopt. Hij smeedde ruimte en tijd ineen tot één geheel: ruimtetijd. Op zichzelf gezien zijn ruimte en tijd betekenisloos. Alleen in relatie tot elkaar hebben ze betekenis.
Als Smolin gelijk heeft, lijkt een supernova er voor een lokale waarnemer anders uit te zien dan voor iemand op tien miljard lichtjaar afstand.
Heeft Einstein het laatste woord? Lee Smolin, gevreesde kwelduivel van de snaartheoretici en oprichter van het Perimeter Institute voor Theoretische Fysica in het Canadese Waterloo (geen universiteit wilde niet-snaaronderzoek sponsoren), denkt van niet. Met een drietal collega’s willen ze relativiteit naar een geheel nieuw niveau tillen. Elke revolutie kent slachtoffers. In Smolins theorie moet ruimtetijd er aan geloven. Volgens Smolin leven we niet in ruimtetijd maar in een faseruimte.
De beloften van Smolins geesteskind zijn immens. Als zijn radicale claim op waarheid berust, hebben we eindelijk de oplossing voor de informatieparadox en zijn we aardig op weg naar de zo lang gezochte ‘theorie van alles’. Althans, iets dat er dicht bij in de buurt komt.
Wat is faseruimte?
Een beetje natuurkunde. Alles, zelfs lichtdeeltjes, heeft impuls. Impuls is massa maal snelheid of, zoals bij lichtdeeltjes, de constante van Planck gedeeld door de golflengte. Impuls is voor natuurkundigen absoluut heilig, nog heiliger dan de wet van behoud van energie. Dat is niet voor niets. Zowel in Einstein’s theorie als kwantummechanica blijft impuls behouden.
Faseruimte is onze bekende drie ruimtelijke en één tijddimensie, samengevoegd met een vierdimensionale impulsruimte. Wat we waarnemen is geen ruimte en tijd, maar energie en impuls. Alles wat we waarnemen berust op een voortdurende stroom van energie- en momentuitwisselingen. Bijvoorbeeld: lichtdeeltjes reizen van de klok naar je netvlies, waar ze in zenuwimpulsen worden omgezet en naar het optische centrum van je hersens wordt gestuurd. Hieruit construeren we een beeld van ruimte en tijd. Ook bij natuurkundige experimenten, tot deeltjesversnellers aan toe, is het niet anders.
Net zoals ruimtetijd uiteenvalt in drie ruimtelijke dimensies en één tijddimensie, valt de momentruimte uiteen in energie en drie momentdimensies. Tot nu toe werd de momentruimte gezien als een handig wiskundig middel om lastige berekeningen ingewikkeld te maken. Zo is de heliocentrische theorie van Copernicus overigens ook zijn opmars begonnen. Rekenen hiermee was veel makkelijker dan met de ingewikkelde epicykels van Ptolemaeus. Pas later werd deze theorie, waarbij de aarde en de planeten om de zon draaien, algemeen ook als wereldbeeld geaccepteerd.
Max Born’s profetische woorden
De Duitse fysicus (en medegrondlegger van de kwantummechanica) Max Born wees er al op dat verschillende essentiële vergelijkingen in de kwantummechanica hetzelfde blijven, of je ze nou in ruimte-tijd coördinaten uitdrukt of in impulsruimte-coördinaten. Hij vermoedde toen al dat het wel eens mogelijk zou kunnen zijn op deze manier de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica samen te voegen. Dit idee van Born, ‘Born reciprociteit’, had een opmerkelijk gevolg. Als ruimtetijd door de massa van sterren en planeten kan worden vervormd, kan dat ook met momentruimte gebeuren. Op dat moment had niemand een flauw benul van welke fysische processen momentruimte konden laten krommen. Borns idee bleef verstoffen.
Nu beschikken natuurkundigen over krachtige computers en programma’s als Maple (of probeer het gratis Sage) en MATLAB (en voor wetenschappers zonder tienduizenden euro’s, Octave). Kortom: wat de arme Born met pen en papier moest uitrekenen, kan nu door een computer. Voeg hierbij een begaafd natuurkundige als Smolin en vuurwerk is verzekerd. Samen met zijn collega’s Laurent Freidel, ook verbonden aan het Perimeter Institute, Jerzy Kowalski-Glikman van de University of Wroclaw in Polen en Giovanni Amelino-Camelia van de Sapienza Universiteit in Rome, bestudeerde Smolin de effecten van de kromming van momentruimte bestudeerd.
Hallucinerende uitkomst
Het viertal paste de standaard wiskundige regels toe om impulsruimte in ruimtetijd te vertalen en paste ze toe op gekromde ruimtetijd. Wat ze ontdekten was werkelijk hallucinerend. Waarnemers in een gekromde momentruimte zullen het niet langer eens zijn over waarnemingen in dezelfde ruimtetijd. Ruimtetijd is relatief voor waarnemers in een gekromde momentruimte. Volgens verschillende waarnemers is er iets verschillends gebeurd. Dit verschil groeit met de afstand en tijd. Hoe verder weg en hoe energierijker, hoe meer de gebeurtenis wordt uitgesmeerd in ruimtetijd, aldus Smolin.
Een voorbeeld. Stel je bent tien miljard lichtjaar verwijderd van een supernova en de fotonen van het licht hebben een energie van tien giga-elektronvolt (genoeg om toen waterstofatomen uit het niets te scheppen), dan lijkt het voor je alsof het object een lichtseconde van de plek verwijderd is dan die een lokale waarnemer heeft vastgesteld. Driehonderdduizend kilometer verschil dus, m.a.w. “relatieve lokaliteit”[2].
Maar hoe stellen we vast of Smolin en zijn geuzenbende gelijk hebben? Hierover deel twee.
"
