Experimentele Test Zoekt Kwantumkarakter van Zwaartekracht via Massa-verstrengeling

De vraag of zwaartekracht, de enige van de vier fundamentele krachten die nog niet volledig in het kwantummechanische raamwerk is geïntegreerd, een intrinsiek kwantumkarakter bezit, blijft een van de grootste onopgeloste raadsels in de hedendaagse natuurkunde. Terwijl elektromagnetische, sterke en zwakke wisselwerkingen succesvol worden beschreven door kwantumveldentheorieën, volgt de zwaartekracht, zoals geformuleerd in Albert Einsteins Algemene Relativiteitstheorie als de kromming van de ruimtetijd, klassieke wetten. Fysici streven al meer dan een eeuw naar een consistente theorie van kwantumzwaartekracht, een zoektocht die tot op heden geen volledig succes heeft opgeleverd, hoewel de huidige onderzoeksrichting zich concentreert op experimenten die aanwijzingen voor kwantumfenomenen in de zwaartekracht zoeken.

Een veelbelovende experimentele strategie, die teruggaat tot een gedachte-experiment van Richard Feynman uit 1957, onderzoekt of zwaartekracht kwantumverstrengeling kan induceren tussen twee uiterst kleine massa's. Het aantonen van dergelijke verstrengeling zou een sterke indicatie zijn voor een kwantumkarakter van de zwaartekracht, wat de drijvende kracht is achter de huidige experimentele inspanningen. Oude theorema's suggereerden dat een klassieke kracht geen kwantuminformatie kan overdragen om verstrengeling te creëren, wat dit experiment tot de ultieme test maakt. Onderzoeksgroepen voeren deze test uit in laboratoriumomstandigheden door extreem kleine massa's in diepgekoelde, kwantummechanische toestanden te brengen.

Onderzoekers in Wenen, waaronder het team rondom Anton Zeilinger, zijn van plan minuscule glazen korrels van ongeveer 150 nanometer met behulp van lasers af te koelen totdat ze zich gedragen als kwantummechanische golffuncties. Eerder bracht een team in Wenen, met leden van de Universiteit van Wenen, al een solide object van die grootte in een kwantumregime door een glazen bol van ongeveer 200 nanometer in een vacuümkamer te hanteren met laserkoeltechnieken. Daarnaast heeft het QLev4G-project onder leiding van Markus Aspelmeyer aan de Universiteit van Wenen vooruitgang geboekt door het zwaartekrachtveld van een zeer kleine bronmassa, een gouden bol met een straal van 1 mm en een massa van 90 mg, te meten, wat duizenden keren kleiner is dan in typische zwaartekrachtexperimenten. Andere teams volgen het principe van het Cavendish-experiment, waarbij de zwaartekrachtinteractie tussen zeer kleine objecten wordt gemeten, soms met objecten van slechts enkele microgrammen.

Deze experimenten zijn buitengewoon veeleisend en vereisen uitvoering in een bijna perfect vacuüm, afgeschermd van alle verstoringen, aangezien zelfs één enkel molecuul de gevoelige kwantumtoestanden of de potentiële verstrengeling zou kunnen verstoren. De complexiteit wordt verergerd doordat recente theoretische bevindingen suggereren dat puur klassieke zwaartekracht onder bepaalde voorwaarden een vorm van verstrengeling tussen massa's kan veroorzaken, wat de interpretatie van de resultaten bemoeilijkt. Nieuw onderzoek toont aan dat klassieke zwaartekracht kwantuminformatie kan overdragen via lokale processen wanneer de materie wordt beschreven met het volledige raamwerk van de Kwantumveldentheorie (QFT).

Onafhankelijk van deze experimentele zoektocht vordert het theoretische onderzoek gestaag. Groepen zoals de nieuwe Emmy Noether Junior Research Group aan de Universiteit van Hamburg, onder leiding van Dr. Max Wiesner, richten zich op het ontrafelen van complexe gebieden binnen de kwantumzwaartekracht, zoals het berekenen van sterke koppelings-effecten in snaartheorie en kwantumzwaartekracht. Deze theoretische inspanningen, die vaak voortbouwen op concepten als spin-foam kwantumzwaartekracht, kunnen mogelijk inzichten opleveren in fenomenen zoals donkere energie. De uiteindelijke vereniging van de Algemene Relativiteitstheorie met de kwantummechanica blijft het centrale doel voor een alomvattend begrip van de fundamentele krachten van het universum, een streven dat in 2026 nog steeds het onderwerp is van intensief wereldwijd onderzoek. De zwakte van de zwaartekracht in vergelijking met andere krachten maakt het experimenteel testen van deze theorieën tot een formidabel probleem.