Quantumzwaartekracht is een algemene term voor theorieën die proberen de zwaartekracht met de ander te verenigen fundamentele krachten van de natuurkunde (die al samen zijn verenigd). Het vormt over het algemeen een theoretische entiteit, een graviton, een virtueel deeltje dat de zwaartekracht medieert. Dit is wat kwantumzwaartekracht onderscheidt van bepaalde andere verenigde veldtheorieën - hoewel, in eerlijkheid, sommige theorieën die typisch worden geclassificeerd als kwantumzwaartekracht vereisen niet noodzakelijk een graviton.
Wat is een Graviton?
Het standaardmodel van de kwantummechanica (ontwikkeld tussen 1970 en 1973) veronderstelt dat de andere drie fundamentele krachten van de natuurkunde worden gemedieerd door virtuele bosonen. Fotonen bemiddelen de elektromagnetische kracht, W- en Z-bosonen bemiddelen de zwakke kernkracht en gluonen (zoals quarks) de sterke kernkracht bemiddelen.
Het graviton zou daarom de zwaartekracht mediëren. Indien gevonden, wordt verwacht dat het graviton massaloos is (omdat het onmiddellijk werkt op lange afstanden) en spin 2 heeft (omdat de zwaartekracht een tweederangs tensorveld is).
Is kwantumzwaartekracht bewezen?
Het grootste probleem bij het experimenteel testen van een theorie over kwantumzwaartekracht is dat de energieniveaus die nodig zijn om de vermoedens waar te nemen, niet haalbaar zijn in huidige laboratoriumexperimenten.
Zelfs theoretisch loopt kwantumzwaartekracht tegen ernstige problemen aan. Zwaartekracht wordt momenteel uitgelegd via de theorie van algemene relativiteit, die heel andere aannames maakt over het heelal op macroscopische schaal dan die gemaakt door de kwantummechanica op microscopische schaal.
Pogingen om ze te combineren lopen over het algemeen tegen het "renormalisatieprobleem" aan, waarbij de som van alle krachten niet opheft en resulteert in een oneindige waarde. In de kwantumelektrodynamica gebeurde dit af en toe, maar men kon de wiskunde renormaliseren om deze problemen te verwijderen. Een dergelijke renormalisatie werkt niet bij een kwantuminterpretatie van de zwaartekracht.
De aannames van kwantumzwaartekracht zijn over het algemeen dat een dergelijke theorie zowel eenvoudig als elegant zal blijken te zijn, dus proberen veel natuurkundigen te werken achteruit, een theorie voorspellend die volgens hen de symmetrieën die in de huidige fysica worden waargenomen zou kunnen verklaren en vervolgens kijken of die theorieën werken.
Enkele verenigde veldtheorieën die zijn geclassificeerd als kwantumzwaartekrachttheorieën zijn onder meer:
- Snaartheorie / Superstring-theorie / M-theorie
- Supergravitatie
- Loop kwantumzwaartekracht
- Twistor theorie
- Niet-commutatieve geometrie
- Euclidische kwantumzwaartekracht
- Wheeler-deWitt-vergelijking
Het is natuurlijk heel goed mogelijk dat als kwantumzwaartekracht bestaat, deze niet eenvoudig of elegant zal zijn, in dat geval worden deze pogingen benaderd met verkeerde veronderstellingen en waarschijnlijk ook onnauwkeurig. Alleen tijd en experimenten zullen het zeker uitwijzen.
Het is ook mogelijk, zoals sommige van de bovenstaande theorieën voorspellen, dat een begrip van kwantumzwaartekracht dat niet zal zijn consolideer slechts de theorieën, maar introduceer liever een fundamenteel nieuw begrip van ruimte en tijd.
Bewerkt door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.