Een stapje dichter bij afronding van Einsteins werk

Albert Einstein besteedde de laatste twintig jaar van zijn carrière aan het verenigen van de natuurkunde in één theorie, zonder succes. Het lastigste aspect was dat het niet lukte om de zwaartekracht in termen van de kwantummechanica te beschrijven. Natuurkundigen over de hele wereld werken aan dit probleem en denken dat het antwoord te vinden is in het vroege universum. RUG-promovendus Marco Scalisi heeft kosmologische modellen ontwikkeld die dit antwoord dichterbij kunnen brengen.

Albert Einstein wist bijna de hele natuurkunde te beschreven met zijn relativiteitstheorie. Maar toen bleek dat op de zeer kleine schaal van atomen en subatomaire deeltjes de wetten van de kwantummechanica domineren. Alleen, grote dingen zijn gemaakt van kleine deeltjes, dus kwantummechanica en algemene relativiteit moeten ergens aan elkaar verbonden zijn.

Zo langzamerhand zijn natuurkundigen er in geslaagd die verbinding te leggen op veel verschillende terreinen. Maar een fenomeen verzet zich hier tegen: zwaartekracht. Er is geen beschrijving van kwantumzwaartekracht. Al tientallen jaren wordt daar aan gewerkt en de meest veelbelovende resultaten komen uit de Snaartheorie. Deze beschrijft deeltjes als multidimensionale objecten waarvan de meeste dimensies ‘opgerold’ zijn en dus onzichtbaar. Daarom zien wij maar drie dimensies, plus de tijd.

Onhaalbaar

‘Snaartheorie is een zeer rijke theorie’, legt Marco Scalisi uit. Dat is net per se iets goeds. Rijk betekent dat de theorie veel, heel veel deeltjes voorspelt die niet zijn gezien, of niet zichtbaar kunnen zijn. De energie die nodig is om ze te vinden is veel groter dan wat de Large Hadron Collider, de krachtigste deeltjesversneller die ooit is gebouwd, kan leveren. ‘We hebben energieën nodig die veertien ordes van grootte hoger liggen dan de LHC’, zegt Scalisi. Dat is 100.000.000.000.000 keer hoger, en onhaalbaar.

Dit maakt het lasting om de Snaartheorie te koppelen aan observaties. Maar het onderzoek van Scalisi levert een nieuwe perspectief op. Zijn studieobject was het vroege heelal. Net na de Oerknal waren er enorm grote energieniveaus aanwezig. Sporen hiervan zijn zichtbaar in de kosmische achtergrondstraling, iets wat Scalisi’s promotor Diederik Roest hier eerder uitlegde.

Opgeblazen

Kosmologen denken dat direct na de Oerknal het universum met enorme snelheid uitdijde. ‘Die inflatie fase gedroeg zich als een versterker, die de wereld van het hele kleine verbond met de zichtbare wereld’, legt Scalisi uit. Kwantumfluctuaties uit het zeer jonge heelal werden ‘opgeblazen’ door inflatie, ze vormden de eerste sterren en sterrenstelsels.

Scalisi beschreef inflatie binnen de Snaartheorie. Dit is een fikse uitdaging en om het werk behapbaar te maken richten natuurkundigen zich doorgaans op bepaalde begrenzingen van de complexe theorie. Een richtinggevend artikel hierover is geschreven door Diederik Roest, in samenwerking met natuurkundigen Renata Kallosh en Andrei Linde van Stanford University. Kallosh ontving in 2014 een eredoctoraat van de RUG, en haar echtgenoot Linde is een van de grondleggers van de inflatie theorie. Scalisi bouwde voort op dit werk, en bleef daarvoor onder meer drie maanden in Stanford om met Kallosh en Linde te werken.

Inflaton

Een van de mysterieuze deeltjes die de Snaartheorie kan beschrijven is het ‘inflaton’. ‘Net als een elektron hoort bij elektriciteit, een graviton bij zwaartekracht is er een inflaton voor inflatie.’ De Snaartheorie beschrijft wat de ‘interne geometrie’ van het deeltje wordt genoemd. Scalisi ontdekte dat bepaalde beschrijvingen van die interne geometrie voorspellingen opleveren die goed overeen komen met observaties. ‘Inflatie laat een soort voetafdruk achter in de kosmische achtergrondstraling, en mijn werk verbindt die voetafdruk met een bepaalde set geometrieën.’

Dit gebeurt via een mechanisme dat een ‘aantrekker’ wordt genoemd. Het betekent dat de interne microscopische eigenschappen de voorspellingen van verschillende kosmologische modellen dwingen om in een en hetzelfde punt uit te komen. Het verrassende is dat dit punt ook nog eens prima overeenkomt met de observaties.

Doorbraak

De grote doorbraak is dat er nu een duidelijke aanwijzing is die laat zien hoe voorspellingen uit de Snaartheorie uiteindelijk zijn te verbinden met waarnemingen. Er is nog een heleboel werk nodig, maar het werk van Scalisi levert een nieuw startpunt op voor vervolgonderzoek. ‘Het was prachtig om te zien dat mijn theoretische werk te verbinden was met observaties. Daar hoopte ik op toen ik met dit promotietraject begon.’

Daarnaast waren de drie maanden in Stanford een hoogtepunt van zijn werk als promovendus. ‘Ik heb er dag en nacht gewerkt, het was enorm inspirerend om daar te zijn. Kallosh en Linde waren allebei heel goed benaderbaar en we hadden fantastische discussies, gewoon in de gang.’ Scalisis werkt inmiddels in Hamburg bij Alexander Westphal. ‘Hij is een expert in Snaartheorie en werkt aan inflatie, dus dit is de beste plek om mijn werk te voort te zetten.’

Marco Scalisi verdedigde zijn proefschrift ‘Inflation, Universality and Attractors’ op 13 Juni aan de RUG, Van Swinderen Instituut.