De Logica Achter Een Nieuwe Natuurkunde
De zoektocht naar de kwantumtheorie van zwaartekracht "roept de vraag op", zegt Karen Crowther: "Hoe ga je van die meer fundamentele theorie terug naar ruimte-tijd?"
Het was al een geestverruimende verschuiving, vorige eeuw, om van Isaac Newtons absolute ruimte en universele tijd over te gaan naar Albert Einsteins vierdimensionale ruimtetijd, die dynamisch, flexibel en gevoelig is voor aanraking. Einsteins algemene relativiteitstheorie toonde aan dat massa en energie de geometrie van ruimtetijd vervormen en vreemde contouren van het universum creëren, die plotseling een plek werden die kon beginnen of eindigen.
Fysici waren nog maar net begonnen de verschuiving te verwerken toen ze zich realiseerden dat algemene relativiteitstheorie de zaden van zijn eigen ondergang bevat. De kromming zou pathologisch kunnen worden, waarbij de ruimte-tijd kromtrekt tot het er dwars doorheen scheurt, waardoor een breuk ontstaat die bekendstaat als een singulariteit. Of singulariteiten scheuren in het universum zijn of scheuren in de theorie, kon niemand zeggen. Hoe dan ook, ruimte-tijd zoals beschreven door de algemene relativiteitstheorie kan niet het ultieme ingrediënt van de realiteit zijn. En inderdaad, de algemene relativiteitstheorie botst met de andere uiterst succesvolle theorie van de 20e eeuw, de kwantummechanica. Dus gingen natuurkundigen op jacht naar een diepere theorie — een theorie van kwantumzwaartekracht — die mogelijk de wereld voorbij ruimte en tijd zou kunnen beschrijven.
Ze zijn nog steeds op jacht. Maar zelfs als ze die diepere theorie vinden, hebben ze nog steeds iets anders nodig: een brug terug naar de ruimte-tijd zoals wij die kennen. We hebben niet alleen een theorie van kwantumzwaartekracht nodig, maar ook een theorie van hoe de algemene relativiteitstheorie eruit voortkomt. Met één voet in de ruimte-tijd en één voet erbuiten, hoe zou die brug er dan uit kunnen zien?
Karen Crowther is een Australische natuurkundefilosoof aan de Universiteit van Oslo in Noorwegen. De auteur van het studieboek Effective Spacetime: Understanding Emergence in Effective Field Theory and Quantum Gravity uit 2016, maakt deel uit van een gemeenschap van filosofen die emergente ruimtetijd bestuderen en alle manieren waarop het onze gebruikelijke denkwijzen uitdaagt. Hoe, vraagt ze zich af, kunnen we ons de wetten van de natuurkunde, causaliteit of zelfs het universum voorstellen zonder ruimtetijd? En hoe bouw je een brug naar ruimtetijd als de brug zelf daar niet kan leven?
Quanta sprak met Crowther over wat het betekent om buiten de ruimtetijdbox te denken. Het interview is ingekort en bewerkt voor de duidelijkheid.
Hoe verschilt de zoektocht naar een theorie van kwantumzwaartekracht van normale wetenschap?
Meestal wordt een nieuwe theorie aangestuurd door een soort empirische zorg als we ernaar op zoek zijn. We hebben iets in de wereld gezien dat niet overeenkomt met wat onze theorieën voorspellen, of de theorie voorspelt iets dat we niet in de wereld waarnemen. In het geval van kwantumzwaartekracht wordt het niet aangestuurd door dat soort problemen. In plaats daarvan gaat het om theoretische consistentie of unificatie. We hebben deze twee tegenstrijdige beelden: kwantumtheorie en algemene relativiteit. Ze zeggen verschillende dingen over de wereld. Dus we willen wat samenhang. Maar de plekken [zoals in zwarte gaten of bij de oerknal] waar we de twee theorieën moeten samenvoegen, zijn plekken die we niet direct kunnen testen of benaderen. Misschien niet nu, misschien nooit.
Crowther geeft een lezing met de titel "Denk voor jezelf!" in het Arne Næss Auditorium van de Universiteit van Oslo. Ilja Hendel voor Quanta Magazine
Waarom impliceren de singulariteiten van de algemene relativiteitstheorie dat ruimte-tijd niet de ultieme realiteit kan zijn
We hebben de neiging om over deze singulariteiten te denken als een "gat" of een "ontbrekend punt" van ruimte-tijd. Maar je kunt er niet echt op deze manier over nadenken, want waar zou zo'n gat zich bevinden? Het is per definitie niet ergens in ruimte-tijd. Dus waar precies stort de algemene relativiteitstheorie in? Het is niet echt te beantwoorden, omdat we het hebben over de ineenstorting van ruimte-tijd zelf.
Eén type singulariteit is een pad door ruimte-tijd dat gewoon eindigt, wat betekent dat objecten die die paden volgen willekeurig in en uit het bestaan kunnen verschijnen. De singulariteiten introduceren onvoorspelbaarheid en indeterminisme. Dit zou kunnen aangeven dat de algemene relativiteitstheorie onvolledig is en behoefte heeft aan een theorie van kwantumzwaartekracht om het te vervangen.
"Waar precies stort de algemene relativiteitstheorie in? Het is niet echt te beantwoorden, aangezien we het hebben over de ineenstorting van ruimtetijd zelf."
Dan hebben we krommingssingulariteiten, die grofweg overeenkomen met het idee van ruimtetijdkromming die "opblaast", onbeperkt toeneemt. Deze zijn ook behoorlijk verontrustend, aangezien ze zouden betekenen dat we onbegrensde getijdenkrachten hebben die alles aan flarden scheuren. De consensus onder natuurkundigen is dat deze singulariteiten gewoon problemen zijn met de theorie.
De suggestie is dat ruimtetijd voortkomt uit een diepere theorie. Wat betekent het vanuit een filosofisch perspectief om te zeggen dat ruimtetijd emergent is?
Het betekent dat er iets fundamentelers is, en dat ruimtetijd alleen op ons niveau bestaat als een soort benadering.
Er is een idee dat alle pijlen van verklaring naar het heel kleine wijzen. Dat de kleinere dingen fundamenteler zijn dan de grotere dingen, dat atomen en kwantumdeeltjes fundamenteler zijn dan tafels en stoelen.
Crowther staat onder een brug bij de rivier de Akerselva in Oslo. Ilja Hendel voor Quanta Magazine
Maar als we denken dat kwantumzwaartekracht niet-spatiotemporele fysica beschrijft, kunnen we niet meer over lengteschalen praten. Het idee van lengte stort in. Dus kwantumzwaartekracht kan niet fundamenteler zijn alleen omdat het kleinere dingen beschrijft; het moet fundamenteler zijn omdat het meer dingen beschrijft.
Er is een zorg — teruggaand naar [de filosoof] Tim Maudlin — dat elke theorie die geen ruimte-tijd heeft empirisch incoherent zal zijn. Wanneer we onze theorieën testen, doen we experimenten in ruimte en tijd; we kijken naar metingen op een wijzerplaat, wat een punt in ruimte-tijd is, de positie van de wijzer op een bepaald moment. Dus, als we een theorie hebben zonder ruimte-tijd die geen dingen heeft die lokaal kunnen worden gedetecteerd, hoe kunnen we die dan testen?
De manier om dit op te lossen is om ruimte-tijd te herstellen of af te leiden van de niet-spatiotemporele theorie. We hebben emergentie nodig om die link te maken.
Hoe zou dat kunnen werken?
Een manier om over emergentie na te denken is in termen van een hiërarchie van niveaus. Als we denken aan watergolven, heb je op één niveau moleculen, en als je er dan veel bij elkaar zet en uitzoomt naar lagere energie of grotere afstanden, zie je het emergente fenomeen van de golf. In het geval van ruimte-tijd zou ruimte-tijd ontstaan uit het collectieve gedrag van de meer fundamentele bouwstenen of "atomen" van ruimte-tijd. Het probleem hiermee is dat we het idee van niveaus hebben gedefinieerd in termen van ruimtelijke lengtes.
Scènes in Crowthers kantoor. Ilja Hendel voor Quanta Magazine
Een ander idee is dat van het ontstaan van iets dat eerder is ontstaan — bijvoorbeeld een vlinder die uit een rups of pop ontstaat. Het ondergaat een complete transformatie. Dit zou hetzelfde zijn als praten over de oerknal voordat ruimte-tijd verschijnt.
De echte uitdaging als het gaat om ontstaan is dus hoe je de verbinding tussen het ding dat ontstaat en het ding waaruit het ontstaat, kunt begrijpen. Als er geen verbinding is, is er geen ontstaan. Maar de verbinding zelf kan niet ruimtelijk of temporeel zijn.
Dus onze gebruikelijke ideeën over ontstaan hebben al ruimte en tijd ingebouwd, en nu hebben we een nieuwe manier nodig om erover na te denken. Hoe zou dat eruit kunnen zien?
Ik wil het graag begrijpen in termen van drie kenmerken: afhankelijkheid, nieuwigheid en autonomie. De minder fundamentele fysica is op de een of andere manier afhankelijk van de meer fundamentele fysica — ruimte-tijd is afhankelijk van de fysica van kwantumzwaartekracht. Dat zou worden aangetoond als algemene relativiteitstheorie afleidbaar is van kwantumzwaartekracht. Maar ruimte-tijd en het gedrag ervan verschillen enorm van de onderliggende kwantumzwaartekrachtfysica, dus er is een element van nieuwigheid — bijvoorbeeld als de onderliggende natuurkunde niet-spatiotemporeel is. En ten slotte is het gedrag van ruimte-tijd ook enigszins autonoom, of onafhankelijk van de specifieke kwantumzwaartekrachtfysica waaruit het voortkomt.
"Wat is de meest fundamentele beperking van kwantumzwaartekracht? Ik denk dat het zoiets is als consistentie."
Wijst de natuurkunde van kwantumzwaartekracht op het idee dat ruimte en tijd misschien gewoon concepten zijn die we gebruiken en niet de werkelijke materie van de wereld?
Er is een idee [van de 18e-eeuwse filosoof Immanuel Kant] dat we spatiotemporele concepten aan de wereld moeten opleggen, omdat we noodzakelijkerwijs denken in termen van ruimte en tijd, en het is heel, heel moeilijk voor ons om zonder deze concepten te werken. Alle bekende natuurkunde maakt er gebruik van. Dus hoe conceptualiseren we wat we doen in kwantumzwaartekracht? We tekenen deze diagrammen in [onze theorieën over kwantumzwaartekracht]. Maar door deze dingen te tekenen, representeren we ze ruimtelijk en temporeel, omdat dat het beste is wat we kunnen. Maar je kunt ze niet zien als iets dat echt bestaat. Dus je vraagt je echt af: hoe is dit nog steeds natuurkunde? Wat doen we? Zijn we voorbij de grenzen van wat we kunnen doen gegaan?
Kant dacht dat ruimte zo fundamenteel is dat we er niet meer zonder kunnen. Hij beschouwde de geometrie als Euclidisch; hij kon zich niets anders voorstellen. [Opmerking van de redacteur: Euclidische ruimte is plat, wat betekent dat de binnenhoeken van een driehoek samen 180 graden vormen.] En dat bleek onjuist te zijn — Einsteins theorie onthulde dat we verschillende kromgetrokken geometrieën kunnen hebben. Dat laat zien dat, ook al denken we dat er concepten zijn die we noodzakelijkerwijs moeten gebruiken, er verschillende kunnen zijn.
Wachtend op de bus op weg naar de universiteit. Ilja Hendel voor Quanta Magazine
Is er een benadering die je het meest veelbelovend vindt? Of het meest filosofisch interessant?
Snaartheorie is behoorlijk interessant vanwege het idee van dualiteit. Verschillende vormen van snaartheorie beschrijven heel verschillende ruimte-tijdstructuren, met verschillende dimensionaliteiten, en toch zijn ze gelijkwaardig aan elkaar. Je kunt niet zeggen welke de emergente is. Dus het lijkt mij dat het naar iets diepers moet wijzen.
Zonder empirisch bewijs, of misschien zelfs de mogelijkheid ervan, lijken kwantumzwaartekrachtonderzoekers meer gewicht te geven dan normaal aan principes, gedachte-experimenten, zelfs kwaliteiten als eenvoud en elegantie. Hoe verhouden die criteria zich tot de geschiedenis van de wetenschap? Is dit nog steeds wetenschap?
Ik kijk naar de basisprincipes die mensen aannemen, en wat we verwachten dat een theorie van kwantumzwaartekracht doet. Niet al deze principes of beperkingen passen goed bij elkaar. Dus het kan zijn dat we er een paar moeten opgeven of aanpassen. Ik heb onlangs nagedacht, wat is de meest fundamentele beperking van kwantumzwaartekracht? Ik denk dat het zoiets is als consistentie. We proberen de theorieën van algemene relativiteit en kwantummechanica op een consistente manier samen te brengen om een consistent beeld van het universum te krijgen. We willen ook dat de wiskunde consistent is. Deze dingen hebben altijd een rol gespeeld, vooral als er concurrerende theorieën waren. In periodes waarin we op zoek waren naar nieuwe theorieën, is de natuurkunde altijd filosofisch geworden.