Het experiment, dat zojuist financiering heeft gekregen van de European Research Council, kan het eerste directe bewijs worden dat de ruimte zelf een structuur heeft - en dat die structuur kwantum is
Al meer dan honderd jaar bestaat de fysica met een stilzwijgende tegenstrijdigheid aan de basis ervan. Einsteins algemene relativiteitstheorie beschrijft het universum op kosmische schaal met verbluffende nauwkeurigheid - de beweging van planeten, de kromming van licht, de rimpelingen in ruimtetijd van botsende zwarte gaten. Kwantummechanica doet hetzelfde op de kleinste schaal - het gedrag van deeltjes, de structuur van atomen, de aard van licht. Beide theorieën werken. Geen van beide is fout. Toch zijn ze fundamenteel onverenigbaar. Ze samenvoegen wordt beschouwd als een van de grootste onopgeloste problemen in de wetenschap. Dat kan nu aan het veranderen zijn.
Een paar weken geleden kondigde de Universiteit van Cardiff aan dat professor Hartmut Grote van het Institute for Gravitational Research een grote subsidie van de European Research Council heeft ontvangen om een baanbrekend experiment uit te voeren met één enkel doel: het vinden van het eerste directe experimentele bewijs van kwantumzwaartekracht. Het idee achter het project is zowel elegant als radicaal. Ruimtetijd - het weefsel van het universum - is misschien niet glad en continu zoals Einstein het zich voorstelde. Het kan korrelig, gepixeld zijn. Opgebouwd uit discrete kwantumeenheden op een schaal die zo klein is dat deze nooit direct is gemeten: de Planck-lengte - een afstand die ongeveer twintig ordes van grootte kleiner is dan een proton. Dit zijn geen pixels die je kunt zien. Maar onder de juiste omstandigheden voorspelt de theorie dat ze een soort kwantumonscherpte creëren - een nauwelijks waarneembare trilling in de posities van de objecten om ons heen.
Professor Grote's team is van plan om precies die trilling te detecteren. Met behulp van een laserinterferometer op tafelformaat - een instrument zo nauwkeurig dat het lengteveranderingen kan meten die kleiner zijn dan een miljardste van een atoom - zullen ze twee geavanceerde kwantumtechnologieën combineren die nog nooit eerder samen zijn gebruikt: gecomprimeerd licht, dat kwantumruis in laser metingen onder de klassieke limieten vermindert, en enkele foton detectie, die ongekende nauwkeurigheid levert met bijna nul ruis. Het experiment, genaamd Single Photon Detection Interferometry for Quantum Gravity, bouwt direct voort op technologieën die zijn ontwikkeld voor LIGO en Virgo - de detectoren voor zwaartekrachtgolven die al hebben bewezen de kleinste rimpelingen in ruimtetijd van botsende zwarte gaten, miljarden lichtjaren van ons verwijderd, te kunnen detecteren.
“Het bevestigen van de kwantumhandtekeningen van ruimtetijd zou een epische prestatie zijn. Het zou ons begrip van de werkelijkheid op het meest fundamentele niveau veranderen en geheel nieuwe onderzoeksrichtingen openen. Meer dan honderd jaar nadat Einstein ons begrip van ruimte en tijd veranderde, zou dit project ons een stap dichter bij het voltooien van het beeld dat hij begon, kunnen brengen. Ik denk dat hij er dol op zou zijn.” zegt professor Hartmut Grote van de Universiteit van Cardiff.
Als het experiment slaagt, zullen de gevolgen veel verder reiken dan één enkele ontdekking. Gekwantiseerde ruimtetijd zou bevestigen dat het universum niet bestaat uit gladde velden en continue geometrie - maar uit iets dat op informatie lijkt: discreet, telbaar, fundamenteel kwantum. Het zou theoretische concepten bevestigen die al decennia stilletjes worden gevormd - van het holografische principe tot het idee dat de geometrie van ruimtetijd voortkomt uit kwantumverstrengeling. Het zou betekenen dat wat we fysieke realiteit noemen - ruimte, tijd, materie - niet de basis van het universum is. Het is hoe de kwantuminformatie van het universum er vanuit ons perspectief uitziet. Als bonus kan hetzelfde experiment sporen van donkere materie en primaire zwaartekrachtgolven opsporen, echo's van de allereerste momenten van het bestaan van het universum. Wetenschap, zoals professor Grote het uitdrukt, kondigt zichzelf niet altijd luid aan. Soms komt het als een nauwelijks waarneembare trilling van een laserstraal op een laboratoriumtafel.
