When do quantum systems source gravity and how can we test it?

Zwaartekracht is de kracht die ons voeten op de grond houdt en de planeten in hun banen houdt, maar het is ook het meest hardnekkige mysterie in de moderne natuurkunde. Al meer dan een eeuw proberen wetenschappers twee grote theorieën te verenigen: de algemene relativiteitstheorie, die zwaartekracht beschrijft als de vloeiende kromming van ruimte en tijd door massieve objecten, en de kwantummechanica, die het chaotische, probabilistische gedrag van de kleinste deeltjes beschrijft. Het probleem is dat deze twee theorieën verschillende talen spreken. Wanneer natuurkundigen proberen ze te combineren, loopt de wiskunde vaak vast, wat resulteert in oneindige waarden en zinloze resultaten. Dit heeft ertoe geleid dat velen geloven dat zwaartekracht zelf uit kleine, discrete deeltjes moet bestaan, net zoals licht uit fotonen bestaat. Er is echter nog een andere mogelijkheid die lang is verworpen: dat zwaartekracht een vloeiende, klassieke kracht blijft, maar dat deze alleen "aan gaat" wanneer kwantumsystemen op een specifieke manier met hun omgeving interageren.

Francisco Pipa, een onderzoeker aan de Universiteit van Queensland, stelt een nieuwe manier voor om dit puzzelstukje te benaderen. Zijn werk suggereert dat zwaartekracht niet bestaat als een constant veld dat op elk moment door elk kwantumsysteem wordt gegenereerd. In plaats daarvan betoogt hij dat een kwantumsysteem pas een zwaartekrachtveld genereert — wat betekent dat het pas een zwaartekracht uitoefent — wanneer het deelneemt aan een specifieke keten van interacties die leidt tot een definitieve uitkomst. In de kwantumwereld bestaan deeltjes vaak in een staat van superpositie, waarbij ze zich op meerdere plaatsen of in meerdere toestanden tegelijk bevinden. Pipa suggereert dat zolang een deeltje in deze geïsoleerde, superponeerde staat blijft, het geen zwaartekracht genereert. Het is pas wanneer het deeltje interageert met andere materie op een manier die zorgt voor "decoherentie" — een proces waarbij de omgeving het deeltje dwingt om een enkele, definitieve staat te kiezen — dat het begint te fungeren als een bron van zwaartekracht. Dit idee daagt de standaardvisie uit dat massa altijd zwaartekracht creëert, ongeacht of die massa geïsoleerd is of interageert.

Het artikel schetst een kader waarin zwaartekracht voortkomt uit een keten van oorzaak-en-gevolggebeurtenissen. Pipa noemt deze ketens "stabiele determinatieketens". Stel je een sequentie voor waarbij één kwantumsysteem met een ander interageert, waardoor een verslag van die interactie ontstaat, wat vervolgens een derde systeem in staat stelt om te interageren, enzovoort. Het is alleen binnen deze ketens, waar informatie wordt doorgegeven en definitieve uitkomsten worden vastgesteld, dat het zwaartekrachtveld verschijnt. Als een systeem volledig geïsoleerd is van dergelijke ketens, evolueert het zonder zijn eigen zwaartekracht te genereren, zelfs als het massa heeft. Deze benadering vermijdt de noodzaak om zwaartekracht te kwantiseren in deeltjes. In plaats daarvan behandelt het zwaartekracht als een conditioneel fenomeen dat ontstaat door de manier waarop kwantummaterie zich door interactie in definitieve toestanden nestelt.

Om dit radicale idee te testen, stelt Pipa verschillende experimenten voor die zijn theorie kunnen onderscheiden van bestaande theorieën. Een belangrijk voorstel betreft het Bose-Marletto-Vedral-experiment, een opstelling die ontworpen is om te zien of zwaften twee deeltjes kan verstrengelen. In dit experiment worden twee massa's in een superpositie van verschillende locaties geplaatst. Als zwaartekracht een kwantumkracht is, zou het in staat moeten zijn om de twee massa's aan elkaar te koppelen, waardoor een gedeelde kwantumtoestand ontstaat. Piena's theorie biedt de stelling voor de nulhypothese in dit experiment: het voorspelt dat omdat de massa's geïsoleerd zijn en niet deel uitmaken van een decoherentie-opwekkende keten, ze helemaal geen zwaartekrachtveld zouden moeten genereren. Daarom zouden ze niet verstrengeld moeten raken, en zou het experiment geen zwaartekrachteffect moeten laten zien. Als het experiment wel verstrengeling laat zien, zou Pipa's theorie worden weerlegd. Echter, als de massa's niet verstrengeld blijven, zou dit de gedachte ondersteunen dat zwaartekracht conditioneel is.

Het artikel suggereert ook een directere test met behulp van kwantumcircuits. Onderzoekers zouden een circuit kunnen bouwen waarbij ze precies controleren wanneer een systeem een "determinatieketen" binnengaat. Door een systeem te isoleren en het vervolgens selectief toe te staan te interageren met een keten van andere systemen, zouden ze het zwaartekrachtveld van het systeem aan en uit kunnen zetten. Als de theorie juist is, zou het systeem alleen een meetbare zwaartekracht uitoefenen wanneer het actief deel uitmaakt van de keten. Dit zou wetenschappers in staat stellen om kwantumcomputers te gebruiken om de handeling van het genereren van zwaartekracht te controleren, een capaciteit die nog nooit eerder is aangetoond.

Pipa's werk behandelt ook de aard van het universum op een grote schaal. Als zwaartekracht alleen voortkomt uit deze ketens van interactie, dan zou het vacuüm van de ruimte, dat ontdaan is van dergelijke interacties, geen zwaartekrachtsveld van zichzelf hebben. Dit leidt tot een nieuwe manier om de kosmologische constante te begrijpen, de mysterieuze kracht die de uitdijing van het universum aandrijft. Het artikel suggereert dat de waarde van deze constante niet vaststaat, maar kan veranderen naarmate het aantal interacties in het universum verandert. Dit zou kunnen verklaren waarom donkere energie progressief zwakker wordt, een fenomeen waar huidige theorieën moeite mee hebben.

De kracht van dit voorstel ligt in het vermogen om langlopende paradoxen op te lossen zonder nieuwe deeltjes of krachten uit te vinden. Het suggereert dat de "vreemdheid" van de kwantummechanica en de "vloeiendheid" van de zwaartekracht niet in conflict zijn; in plaats daarvan is zwaartekracht simpelweg het resultaat van het feit dat kwantumsystemen door interactie definitief worden. Het artikel beweert nog niet dat het deze theorie heeft bewezen. In plaats daarvan biedt het een duidelijke set regels en voorspellingen die in het laboratorium getest kunnen worden. Door specifieke experimenten voor te stellen, zoals het gecontroleerde kwantumcircuit en de aangepaste Bose-Marletto-Vedral-opstelling, biedt Pipa een pad voor wetenschappers om te bepalen of zwaartekracht een fundamentele kracht is die overal bestaat, of een conditioneel effect dat alleen verschijnt wanneer de kwantumwereld met zichzelf interageert.

De implicaties van dit werk zijn diepgaand. Als zwaartekracht conditioneel is, betekent dit dat het weefsel van de ruimtetijd niet een statisch podium is waarop gebeurtenissen zich afspelen, maar een dynamische structuur die voortkomt uit de interacties van materie. Het suggereert dat het universum niet gevuld is met een constant zwaartekrachtveld, maar dat zwaartekracht een fenomeen is dat zich verspreidt door een netwerk van interacties, net zoals een signaal dat door een keten van mensen gaat. Dit perspectief zou het probleem van singulariteiten kunnen oplossen, de oneindig dichte punten in het centrum van zwarte gaten. Als zwaartekracht alleen bestaat waar interacties plaatsvinden, dan zou zwaartekracht in de diepste kern van een zwart gat, waar interacties wellicht stoppen, simpelweg verdwijnen, waardoor een vlakke, lege ruimte achterblijft in plaats van een singulariteit.

Uiteindelijk nodigt dit artikel ons uit om de relatie tussen de kwantumwereld en het kosmos te heroverwegen. Het stelt voor dat de kracht die de sterren en sterrenstelsels vormgeeft niet een constante achtergrond aanwezigheid is, maar een gevolg van de manier waarop materie zich in de realiteit nestelt. Door te focussen op de voorwaarden waaronder zwaartekracht verschijnt, biedt Pipa een fris perspectief dat de kloof tussen het zeer kleine en het zeer grote zou kunnen overbruggen. De volgende stap is het bouwen van de experimenten die deze ideeën kunnen bevestigen of ontkrachten, om zo een theoretische mogelijkheid in een fysieke realiteit te veranderen.