In ons oktobernummer (nu in de winkels) vertelden wij over een oude theorie van alles die nu, zestig jaar later, een nieuwe kans krijgt (theorie van alles krijgt herkansing, pag. 57). Maar deze theorie is lang niet de enige ‘kandidaat-theorie van alles’. Hieronder een overzicht van de belangrijkste overige kanshebbers. Of ze nu het complete heelal virtueel willen opbouwen uit vierdimensionale driehoekjes of het universum opbreken in minuscule brokjes – je kunt het zo gek niet bedenken, of het wordt wel geprobeerd. Een overzicht.
M-Theorie
De nieuwste versie van snaartheorie, de hoofdkandidaat voor een theorie van alles, heet M-theorie. Aanhangers zijn bekende wetenschappers als Stephen Hawking en de Nederlandse fysicus Robbert Dijkgraaf. Het kaliber van dit soort wetenschappers die aan snaartheorie rekenen en de uitgebreide media-aandacht maken van M-theorie met afstand de bekendste kandidaat-theorie van alles.

Volgens snaartheorie zijn elementaire deeltjes in feite kleine trillende snaartjes. Door de manier waarop de snaartjes trillen, kunnen zij verschillende eigenschappen aannemen en worden zo door ons waargenomen als quarks, gluonen of leptonen. Belangrijk is verder de voorspelling van M-theorie dat wij in een elfdimensionale wereld leven – dimensies waarvan u en ik de meesten overigens niet zomaar kunnen waarnemen, omdat wij slechts in drie ruimtedimensies kunnen kijken.

Ondanks de populariteit van M-theorie, zijn er wel degelijk tekortkomingen. Het belangrijkste bezwaar is dat de theorie vooralsnog niet falsificeerbaar lijkt. Er zijn met andere woorden geen experimenten te bedenken die de theorie kunnen weerleggen of bevestigen.

Bovendien is M-theorie in staat om ruwweg 10⁵⁰⁰ verschillende typen universa te beschrijven – een getal dat zo absurd groot is dat het voor sommigen een teken is dat wij leven in één universum binnen een complex multiversum.

Anderen zien het onbehapbare getal echter juist als een aanwijzing dat we de theorie nooit concreet kunnen bewijzen. Dat alles zorgt ervoor dat steeds meer natuurkundigen de snaartheorie vooral beschouwen als handige gereedschapskist – een manier om spannende nieuwe fysica te ontdekken, maar geen directe opmaat naar de ultieme theorie van alles.

Loop quantum gravity
De enige theorie die het tot nu toe redelijkerwijs op kan nemen tegen de heerschappij van M-theorie is het zogeheten model van loop quantum gravity. Volgens deze theorie is de ruimte een weefwerk van kleine brokjes van ruwweg 10^-35 meter. Deze brokjes zijn onderling verbonden door verbindingen die, samengevlochten of samengeknoopt, de bekende elementaire deeltjes produceren.

Loop quantum gravity weet een aantal aspecten van de algemene relativiteitstheorie te verklaren en krijgt het tegelijkertijd voor elkaar de opdeling van de ruimtetijd uit de quantummechanica overeind te houden. Hoewel de theorie wel enkele voorzichtige voorspellingen heeft gedaan over mogelijk waar te nemen effecten, waarmee het een streepje voor heeft op M-theorie, lijkt experimentele bevestiging van loop quantum gravity voorlopig echter nog heel ver weg.

Causal dynamical triangulations
Helemaal bij nul beginnen en het universum opnieuw opbouwen. Die rigoureuze methode hanteren theoreten die werken met de causal dynamical triangulations-methode. Door een virtuele ruimtetijd te bouwen, hopen zij aanwijzingen voor een quantumgravitatietheorie te vinden. Die theorie moet de tot nog toe onverenigbare quantummechanica en algemene relativiteitstheorie samenvoegen en wordt door velen gezien als het belangrijkste ontbrekende puzzelstukje voor een theorie van alles.

Bij het in elkaar klussen van de ruimtetijd gebruiken de onderzoekers vierdimensionale varianten van driehoeken. Net zoals u door gewone driehoeken aan elkaar te lijmen gemakkelijk allerlei tweedimensionale figuren kunt maken, kunt u van hun vierdimensionale broertjes relatief eenvoudig ruimtetijdstructuren plakken.

Dat idee is niet nieuw. In de jaren tachtig en negentig maakte men met behulp van de vierdimensionale driehoeken al simulaties van alle mogelijke vormen van de ruimtetijd. Wetenschappers als Stephen Hawking vermoedden namelijk dat ons universum de uitkomst is van een optelsom van al haar mogelijke vormen: door die te middelen, zou men de vorm van ons heelal moeten terugvinden.

Helaas liep dat uit op niets. Keer op keer bleek dat minuscule quantumfluctuaties in de gesimuleerde ruimtetijd niet uitmiddelden, maar ervoor zorgden dat het gemiddelde universum verfrommelde tot een klein balletje met een oneindige hoeveelheid dimensies – niet bepaald het vertrouwde heelal waarin wij leven, dus.

Even leek het einde oefening. Tot enkele vooraanstaande theoretici in 1998 een nieuwe manier bedachten om orde te scheppen in de verfrommelde chaos van hun voorgangers. Hun nieuwe inzicht: het universum kan niet zonder causaliteit. Daarom voegden zij aan elk vierdimensionaal driehoekje vooraf een pijl toe die aangaf in welke richting de opeenvolging van oorzaak en gevolg liep.

Door de driehoeken alleen aan elkaar te lijmen met hun pijl dezelfde kant op, boekten de theoreten in 2004 een bijzonder resultaat. Zij lijmden een universum met vier dimensies (of preciezer: 4,02 met een marge van 0,1), een kosmologische constante en de juiste geometrie. ‘Het is echt heel bijzonder dat we dat resultaat konden vinden met alleen quantumfluctuaties en causaliteit als uitgangspunten’, meent Renate Loll, verbonden aan de Universiteit Utrecht, en pionier van de causal dynamical triangulations-methode.

Hoewel dat resultaat zeer bijzonder is – geen enkele andere theorie kan op die manier de vorm van ons universum afleiden – betekent dat niet dat een quantumgravitatietheorie nu voor het oprapen ligt. ‘De volgende uitdaging is om ook de andere eigenschappen van ons heelal te reproduceren’, vertelt Loll. ‘Zo willen we begrijpen waarom zwaartekracht bestaat, op microscopisch quantumniveau.’

Als dat allemaal lukt, hoopt Loll dat causal dynamical triangulations net zo invloedrijk wordt als de relativiteitstheorie of de quantummechanica. ‘Mensen zijn nog altijd bezig de implicaties daarvan te bevatten en nieuwe toepassingen te bedenken. En dat terwijl die theorieën ondertussen zo’n 100 jaar oud zijn!’

Quantum-Einstein-zwaartekracht
Om de problemen op te lossen die ontstaan rond zwaartekracht op kleine schaal, bedacht de Duitse natuurkundige Martin Reuter quantum-Einstein-zwaartekracht. Dat was nodig omdat zwaartekracht steeds sterker wordt, hoe kleiner je gaat kijken – een effect dat volledig uit de bocht vliegt doordat zwaartekracht ook op zichzelf werkt. Op extreem kleine schaal is de aantrekking tussen massa’s volgens de algemene relativiteitstheorie daarom onhandelbaar sterk, wat de belangrijkste oorzaak is van de onverenigbaarheid met de op microschaal heersende quantummechanica.

Reuter stelt daarom een limiet voor: een schaalgrootte vanaf waar de zwaartekracht niet meer in kracht toeneemt. Dat idee komt overigens niet helemaal uit de lucht vallen; iets dergelijks gebeurt volgens al bekende fysica ook met de sterke kernkracht. Als Reuters idee werkt, maakt het de zwaartekracht op kleine schaal weer behapbaar – een belangrijke eerste stap op weg naar een quantumgravitatietheorie.

Quantum Graphity
De Griekse natuurkundige Fotini Markopoulou gooit het in zijn zoektocht naar een quantumgravitatietheorie over een compleet andere boeg door rücksichtslos de ruimtetijd af te schaffen. Volgens zijn quantum graphity-theorie (quantumgraffittitheorie) bestaat er bij extreem hoge energie en op extreem kleine schaal – zoals tijdens en vlak na de oerknal – slechts een abstracte optelsom van verschillende ruimtelijke knooppunten.

Opmerkelijk is dat volgens hem al die knooppunten direct met alle anderen waren verbonden – instinctief net zo onmogelijk als wanneer elk deeltje in het universum direct aan elk ander deeltje zou grenzen. Bij het uitdijen en afkoelen van het universum kwamen sommige knooppunten echter los van elkaar met de illusie van ruimte als gevolg. Markopoulou vindt in zijn berekeningen met het zogeheten quantum graphity op grote schaal de vloeiende ruimte uit de algemene relativiteitstheorie en op kleine schaal de meer contra-intuïtieve ruimtelijke eigenschappen van de quantummechanica – een teken dat hij op de juiste weg is.

Interne relativiteit
Ieder deeltje in dit universum heeft spin: een eigenschap die kort door de bocht kan worden beschouwd als de quatummechanische versie van het klassieke hoekmoment. In de interne relativiteitstheorie van de Duitse fysicus Olaf Dreyer bestaat spin onafhankelijk van materie en is het willekeurig verdeeld. Als een systeem een bepaalde kritieke temperatuur bereikt, richten de spins zich dezelfde kant op. Mensen die zich binnenin dit systeem bevinden, zien die spins niet, maar merken alleen de effecten. Toen Dreyer die effecten berekende, kwam hij uit op de speciale relativiteitstheorie en de Newtoniaanse zwaartekrachtswetten.

Bijzonder is dat in Dreyers aanpak materie en de ruimtetijd geen gescheiden dingen meer zijn, maar beide voortkomen uit dezelfde oertoestand. Overigens valt of staat Dreyers theorie met het bewijs voor de door de algemene relativiteitstheorie voorspelde zwaartekrachtsgolven. Volgens de interne relativiteitstheorie kunnen die niet bestaan – een mogelijke verklaring waarom wetenschappers in hun jacht op deze golven tot nog toe bot vingen.

Emergente zwaartekracht
Waar de één de ruimtetijd in de ban doet, is bij de ander de zwaartekracht het haasje. Volgens de bekende Nederlandse fysicus Erik Verlinde, die mede dankzij dit werk afgelopen juni een Spinozapremie in ontvangst mocht nemen, is zwaartekracht namelijk niet iets fundamenteels. In plaats daarvan borrelt het naar boven als bijverschijnsel van een dieper liggende realiteit. Net zoals een watermolecuul niet nat is maar een plas water wel, bevat het universum op microscopisch niveau geen zwaartekracht. In plaats daarvan ontstaat op grote schaal de illusie van een kracht door een complex samenspel van ruimte, tijd en massa.

De kern van het idee van Verlinde ligt in informatie. Zwaartekracht zou, zo meent hij, het gevolg zijn van een concentratieverschil in informatie in de ruimte tussen twee massa’s. Wie twee massa’s uit elkaar verplaatst zorgt namelijk voor een verandering in informatiedichtheid van de ruimte ertussen. Dat resulteert uiteindelijk in een aantrekkende kracht.

Zwaartekrachtstheorieën zoals die van Newton en Einstein zijn door dit inzicht niet langer een fundamentele theorie, maar blijken slechts een statistische beschrijving van iets fundamentelers. Dat is vergelijkbaar met hoe de thermodynamica uit de statistische analyse van individueel onvoorspelbare deeltjes voorspellingen kan doen over warmtestromingen of het gedrag van gassen. Verlinde kreeg het met zijn nieuwe inzichten in elk geval al voor elkaar de formules van Newton en de vergelijkingen van Einstein opnieuw af te leiden. Een revolutie in fysicaland lonkt.

George van Hal