De geheimen van enkele van de grootste mysteries van het heelal, meent Sera Cremonini, zouden wel eens kunnen liggen in het gedrag van de allerkleinste bestanddelen ervan.
Kijk eens naar het begin van het heelal. In een fractie van een seconde na de oerknal, 14 miljard jaar geleden, explodeerde een immense hoeveelheid dicht opeengepakte materie in een superhete zee van subatomaire deeltjes.
En kijk eens naar de zwarte gaten die ontstaan wanneer massieve sterren ineenstorten. Ze comprimeren materie zo dicht dat niets dat hun domein binnenkomt ooit ontsnapt, zelfs licht niet.
Hoe gingen de eerste deeltjes van het universum met elkaar om? Hoe vormden zij quarks, en hoe combineerden deze zich tot de eerste protonen en neutronen? En welke wetten gelden er voor de “gravitationele singulariteit” van een zwart gat, een scheur in het weefsel van de ruimtetijd, waar dichtheid en zwaartekracht oneindig worden? Cremonini, een assistent-professor natuurkunde, onderzoekt deze vragen door de lens van de snaartheorie, die voorstelt dat elk deeltje in het heelal is opgebouwd uit minuscule vibrerende energieslierten. Met een afmeting van slechts 10-34 meter is een snaar in grootte vergelijkbaar met een quark, zoals een atoom in grootte vergelijkbaar is met de aarde.
Snaren zijn eendimensionale objecten, die wel lengte maar geen breedte bezitten. Ze kunnen een open einde hebben, een gesloten lus vormen, of vastzitten aan membranen, of vertakkingen, die heel klein kunnen zijn of het hele universum kunnen vullen. Zoals gitaarsnaren gestemd zijn om verschillende frequenties voort te brengen, kunnen de trillingen van snaren geassocieerd worden met de verschillende deeltjes die we kennen. Een van deze komt overeen met het graviton, het deeltje waarvan wordt aangenomen dat het de gravitatiekracht draagt. De manier waarop snaren en membranen zich rangschikken en met elkaar interageren, geeft aanleiding tot de eigenschappen van de subatomaire deeltjes die we waarnemen.
“Het idee achter de snaartheorie is eenvoudig,” zegt Cremonini. “Kijk diep in een willekeurig deeltje en je ziet een kleine trillende snaar. Dit is de fundamentele eenheid waarnaar we hebben gezocht, de fundamentele entiteit waaruit alles is opgebouwd.”
De snaartheorie, zegt Cremonini, is het beste raamwerk dat tot nu toe is bedacht om een brug te slaan tussen de twee onverenigbare theorieën die beschrijven hoe het universum werkt. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein leert dat de zwaartekracht de buiging van ruimte en tijd is; zij is deterministisch en zij beschrijft grootschalige verschijnselen. De kwantummechanica is probabilistisch en regelt het gedrag van atomaire en subatomaire deeltjes. “Einsteins algemene relativiteitstheorie is een prachtige, goed geteste theorie die ons vertelt hoe massieve objecten het weefsel van de ruimtetijd vervormen,” zegt Cremonini. “Dankzij deze theorie hebben we GPS-systemen en begrijpen we de banen van planeten en de buiging van licht rond sterrenstelsels. En vorig jaar nog heeft het LIGO-experiment voor het eerst gravitatiegolven gedetecteerd, die Einstein 100 jaar eerder voorspelde. Dit zijn rimpelingen in de ruimtetijd zelf, veroorzaakt door de botsing tussen twee zwarte gaten, een spectaculaire bevestiging van de algemene relativiteit.
“Maar algemene relativiteit werkt alleen goed op grote afstanden of grote schalen – met een planeet, een appel of een vliegtuig. De theorie slaagt er niet in de zwaartekracht overal in het heelal te beschrijven. Hij gaat kapot als je naar heel, heel korte afstanden gaat, waar de effecten van de kwantummechanica niet kunnen worden genegeerd.
“Algemene relativiteit en kwantummechanica verklaren hun respectieve regimes goed, maar we hebben een theorie nodig, een theorie van de kwantumzwaartekracht, die beide verenigt, om situaties te beschrijven waarin zwaartekrachts- en kwantumeffecten even belangrijk zijn. De snaartheorie is op dit moment het meest veelbelovende en consistente raamwerk dat we hebben om licht te werpen op de kwantumaard van de zwaartekracht. Het is een set gereedschappen die we kunnen gebruiken om vragen te beantwoorden over het begin van het heelal, het gedrag en de eigenschappen van zwarte gaten, en het weefsel van ruimtetijd. Al deze ideeën horen bij elkaar.”
Cremonini heeft onlangs een driejarige subsidie van de National Science Foundation ontvangen om de microstructuur van de ruimtetijd te bestuderen, het vierdimensionale continuüm waarin de drie fysieke dimensies met de tijd zijn verweven. Door gebruik te maken van een techniek die holografie heet, hoopt ze licht te werpen op fenomenen variërend van de onmiddellijke nasleep van de oerknal tot de structuur en eigenschappen van zwarte gaten en het gedrag van onconventionele materialen zoals hogetemperatuur-supergeleiders.
De bolvormige koe
Cremonini begint veel van haar onderzoek met een potlood en een vel papier, en schrijft differentiaalvergelijkingen die niet veel ingewikkelder zijn dan die welke studenten leren oplossen in college calculus. De vergelijkingen zijn die van de algemene relativiteit met de kwantumveldentheorie en de snaartheorie.
“Voor veel van deze berekeningen is natuurkundige intuïtie nodig,” zegt ze. “Sommige kunnen met de hand worden gedaan. Als ik een probleem eenmaal op de juiste manier heb opgezet, dan gebruik ik de computer om te helpen.
Net als de meeste natuurkundigen maakt Cremonini veel benaderingen en aannames over de echte wereld. Dit is vooral belangrijk bij de snaartheorie, omdat wetenschappers nog geen gereedschappen hebben ontwikkeld waarmee snaren kunnen worden geproduceerd of waargenomen.
“Er is een grap in de natuurkunde over een bolvormige koe,” zegt ze. “De meeste problemen waar natuurkundigen aan werken, vereisen dat we benaderingen maken van de echte wereld, zoals een koe en die bolvormig maken omdat een bol veel gemakkelijker te modelleren is dan een echte koe.
“We hebben niet de wiskundige gereedschappen om bepaalde problemen op te lossen, dus zijn we gedwongen om vereenvoudigingen en benaderingen te maken die ze reduceren tot iets wat we wel kunnen aanpakken. We moeten een probleem waarvan we niet weten hoe het op te lossen, relateren aan iets waarvan we weten dat het oplosbaar is zonder de essentiële fysische eigenschappen te verliezen.”
Het zwaartekracht-kwantumwoordenboek
Een dualiteit in de snaartheorie, zegt Cremonini, geeft inzicht in hoe zwaartekracht zich verhoudt tot de wereld van de kwantummechanica. Sommige aspecten van de zwaartekrachtruimtetijd, zegt ze, hebben alternatieve beschrijvingen in de kwantumwereld.
“In de snaartheorie leren we dat bepaalde zwaartekrachttheorieën die in een bepaald aantal dimensies leven, corresponderende en volledig equivalente beschrijvingen hebben in kwantumtheorieën die in één dimensie minder leven. Vanwege dit verschil in het aantal dimensies noemen we dit holografie, omdat het doet denken aan een hologram, dat een projectie is van een 3D-object in twee dimensies.”
Net als een Frans-Duits of Japans-Engels woordenboek, zegt Cremonini, bevatten een zwaartekrachttheorie en de overeenkomstige kwantumtheorie dezelfde hoeveelheid informatie, maar worden ze geschreven met verschillende woorden en conventies. Holografie biedt een “rijk web” van verbindingen, zegt Cremonini, die het mogelijk maken een vertaalslag te maken tussen de zwaartekracht en de kwantumwereld, en om op een geheel nieuwe manier na te denken over enkele van hun meest uitdagende aspecten. Het blijkt dat een probleem dat in het ene domein moeilijk op te lossen is, kan worden vertaald naar het andere domein – meestal het zwaartekrachtdomein – waar het gemakkelijker kan worden opgelost.
De asymmetrie van de werkelijkheid beoordelen
Het doel van Cremonini’s huidige onderzoek is om het aantal problemen waarop holografische technieken effectief kunnen worden toegepast, uit te breiden.
“Holografische technieken zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor eenvoudige systemen die zich goed gedragen, veel symmetrie hebben en niet al te realistisch zijn,” zegt ze. “We hebben ontdekt dat deze technieken veel breder zijn en behoorlijk krachtig. Ik vraag me af in hoeverre we deze ideeën kunnen uitbreiden en veralgemenen naar complexere systemen met minder symmetrie, die dichter bij ons universum staan, en dus realistischer zijn.
“Natuurkundigen denken graag over dingen in termen van symmetrieën. Het grootste deel van onze vooruitgang, vooral in de deeltjesfysica, is gebaseerd op het begrijpen van systemen die zeer symmetrisch zijn; ze zijn eenvoudigweg gemakkelijker te begrijpen. Maar in het echte leven heeft de natuur veel mechanismen om symmetrieën te doorbreken, en processen zijn dynamisch en veel gecompliceerder.”
De problemen die de grootste uitdaging vormen voor natuurkundigen, zegt Cremonini, hebben meestal betrekking op systemen waarvan de bestanddelen – elektronen, bijvoorbeeld – sterk met elkaar interageren. In deze gevallen is het modelleren van hoe de systemen zich gedragen bij verschillende temperaturen, of hoe ze faseovergangen van de ene toestand naar de andere ondergaan, berucht moeilijk.
Een van de faseovergangen die Cremonini heeft bestudeerd, doet zich voor in een kwantumsysteem dat quark-gluon plasma wordt genoemd. Volgens de theorie van de quantumchromodynamica (QCD) bestaan de protonen en neutronen die de kern van een atoom vormen, zelf uit drie kleine quarks die nauw met elkaar verbonden zijn door deeltjes die gluonen worden genoemd. Bij voldoende hoge energieën, in een verschijnsel dat de toestand van het vroege heelal weerspiegelt, scheiden quarks en gluonen zich fysiek en zweven zij vrij in een hete soep, of plasma. De faseovergang die quarks losmaakt staat bekend als QCD deconfinement en is het onderwerp van experimenten bij de Relativistic Heavy Ion Collider van het Brookhaven National Laboratory en de Large Hadron Collider van CERN, de Europese Organisatie voor Kernonderzoek in Zwitserland.
“Vanwege de sterke interacties tussen quarks en gluonen,” zegt Cremonini, “is dit systeem erg moeilijk te bestuderen. Maar het kan in kaart worden gebracht in een geschikt gravitatiestelsel, waarin sommige eigenschappen veel gemakkelijker te onderzoeken zijn.”
Als energie het gedrag bepaalt
In haar NSF-project probeert Cremonini holografische technieken te gebruiken om kwantumfasen van materie te bestuderen waarvan het gedrag juist door die sterke interacties slecht wordt begrepen. Een voorbeeld is dat van hoge-temperatuur supergeleiders, die supergeleiding bereiken bij temperaturen tot -70 graden Celsius, vergeleken met de -240 graden drempel voor gewone metalen supergeleidende materialen.
Omdat ze sterk interagerende bestanddelen hebben, zegt Cemonini, zijn hoge-temperatuur supergeleiders veel moeilijker te modelleren dan gewone supergeleiders.
“Hoge-temperatuur supergeleiders zijn zeer interessante materialen, maar er is geen diepgaand begrip van waarom ze superleiden,” zegt ze. “Het gedrag van de bestanddelen van die materialen is heel vreemd. Hun elektronen zijn zo verstrengeld en werken zo sterk op elkaar in dat we hun gedrag niet echt kunnen begrijpen met de technieken die we normaal zouden gebruiken voor gewone supergeleiders of conventionele metalen. Holografische technieken bieden ons een manier om uitvoerbare berekeningen te maken die het mogelijk maken deze systemen en hun ongewone eigenschappen te modelleren.”
Het gedrag van veel systemen kan worden vergeleken met het gedrag van kinderen die een door suiker veroorzaakte roes ervaren. Wanneer energie uit een systeem wordt verwijderd, zegt Cremonini, ontspant het systeem zich tot zijn nulenergetische of grondtoestand. Wanneer energie wordt toegevoegd, vaak door warmte toe te voegen, wordt het systeem opgewonden en vertoont het een rijk gedrag.
“In de natuurkunde is het belangrijk te begrijpen hoe systemen zich gedragen wanneer je hun energie wegneemt en tot welke toestand ze ontspannen. Gedrag is een functie van energie. Denk aan wat er gebeurt als water kookt. Er vormt zich een luchtbel – een instabiliteit in het systeem – en die begint te groeien. Dan vormen zich meer bellen en groeien uit tot een dampende massa. Zo denken we ook over faseovergangen; ze zijn er omdat zich een instabiliteit vormt en dan groeit. In mijn werk onderzoek ik een verscheidenheid aan kwantumfasen en de soorten instabiliteit die daaruit kunnen voortkomen.”
In haar NSF-project onderzoekt Cremonini ook hoe zwaartekracht ontstaat uit microscopische, kwantummechanische bestanddelen. Ze hoopt dat haar antwoorden licht zullen werpen op de structuur van ruimtetijd, het begin en de vroege evolutie van het heelal, en de fysica van zwarte gaten.
“De snaartheorie heeft ons veel inzicht gegeven in de relatie tussen algemene relativiteit en kwantummechanica, vooral in de laatste twintig jaar. Het heeft ons geholpen meer te leren over de fundamentele structuur van zwarte gaten. We weten dat zwarte gaten temperatuur hebben, wat betekent dat er entropie mee verbonden is. Maar entropie is niet alleen een maat voor wanorde. Het vertelt ons ook dat het zwarte gat moet bestaan uit een hoop microscopische stukjes. Een van de grote successen van de snaartheorie is dat zij ons een manier heeft gegeven om de microscopische bits waaruit bepaalde zwarte gaten bestaan te berekenen, en dat zij hun entropie zeer nauwkeurig heeft gereproduceerd. Dit is opmerkelijk, en het is een must voor elke theorie van kwantumzwaartekracht.
“Misschien is er een andere theorie die al deze verschijnselen kan beschrijven. Dat is mogelijk, maar tot nu toe is de snaartheorie het beste raamwerk dat we hebben.”
Verhaal van Kurt Pfitzer