Alle fundamentele krachten van het heelal volgen de wetten van de kwantummechanica, behalve één: de zwaartekracht. Het vinden van een manier om de zwaartekracht in de kwantummechanica in te passen, zou wetenschappers een grote stap dichter bij een “theorie van alles” brengen, die de werking van de kosmos volledig zou kunnen verklaren vanuit de eerste beginselen. Een cruciale eerste stap in deze zoektocht om te weten te komen of de zwaartekracht kwantum is, is het detecteren van het lang veronderstelde elementaire deeltje van de zwaartekracht, het graviton. Op zoek naar het graviton richten natuurkundigen zich nu op experimenten met microscopische supergeleiders, vrij vallende kristallen en het nagloeien van de oerknal.

De kwantummechanica suggereert dat alles bestaat uit quanta, of pakketjes energie, die zich zowel als een deeltje als als een golf kunnen gedragen – quanta licht worden bijvoorbeeld fotonen genoemd. Het detecteren van gravitonen, de hypothetische kwanta van de zwaartekracht, zou bewijzen dat de zwaartekracht kwantum is. Het probleem is dat de zwaartekracht buitengewoon zwak is. Om de minuscule effecten van een graviton op materie direct te kunnen waarnemen, zo merkte de beroemde natuurkundige Freeman Dyson op, zou een gravitondetector zo massief moeten zijn dat hij op zichzelf ineenstort en een zwart gat vormt.

“Een van de problemen met theorieën over kwantumzwaartekracht is dat hun voorspellingen meestal vrijwel onmogelijk experimenteel te testen zijn,” zegt kwantumfysicus Richard Norte van de Technische Universiteit Delft in Nederland. “Dit is de belangrijkste reden waarom er zoveel concurrerende theorieën bestaan en waarom we er niet in geslaagd zijn om te begrijpen hoe het eigenlijk werkt.”

In 2015 stelde theoretisch fysicus James Quach, nu aan de Universiteit van Adelaide in Australië, echter een manier voor om gravitonen te detecteren door te profiteren van hun kwantumkarakter. De kwantummechanica suggereert dat het universum inherent vaag is – je kunt bijvoorbeeld nooit de positie en het momentum van een deeltje tegelijkertijd absoluut kennen. Een gevolg van deze onzekerheid is dat een vacuüm nooit helemaal leeg is, maar in plaats daarvan bruist van een “quantumschuim” van zogenaamde virtuele deeltjes die voortdurend in en uit het bestaan springen. Deze spookachtige entiteiten kunnen alle soorten quanta zijn, inclusief gravitonen.

Decennia geleden ontdekten wetenschappers dat virtuele deeltjes detecteerbare krachten kunnen opwekken. Het Casimir-effect bijvoorbeeld is de aantrekking of afstoting tussen twee spiegels die dicht bij elkaar in vacuüm zijn geplaatst. Deze spiegelende oppervlakken bewegen als gevolg van de kracht die wordt opgewekt door virtuele fotonen die op en neer gaan. Eerder onderzoek suggereerde dat supergeleiders gravitonen sterker zouden kunnen weerkaatsen dan normale materie, dus berekende Quach dat het zoeken naar interacties tussen twee dunne supergeleidende platen in vacuüm een gravitationeel Casimir-effect aan het licht zou kunnen brengen. De resulterende kracht zou ruwweg tien keer sterker kunnen zijn dan die welke wordt verwacht van het standaard virtuele-foton-gebaseerde Casimir effect.

Nu hebben Norte en zijn collega’s een microchip ontwikkeld om dit experiment uit te voeren. Deze chip bevatte twee microscopisch kleine met aluminium beklede platen die bijna tot het absolute nulpunt waren afgekoeld, zodat zij supergeleidend werden. Eén plaat werd bevestigd aan een beweegbare spiegel, en op die spiegel werd een laser afgevuurd. Als de platen door een gravitationeel Casimir-effect zouden bewegen, zou de frequentie van het licht dat op de spiegel weerkaatst meetbaar verschuiven. Zoals online beschreven op 20 juli in Physical Review Letters, hebben de wetenschappers geen gravitationeel Casimir effect waargenomen. Dit nulresultaat sluit niet noodzakelijkerwijs het bestaan van gravitonen uit, en dus ook niet de kwantumaard van de zwaartekracht. Het kan eerder betekenen dat gravitonen niet zo sterk interageren met supergeleiders als eerder werd aangenomen, zegt kwantumfysicus en Nobelprijswinnaar Frank Wilczek van het Massachusetts Institute of Technology, die niet deelnam aan deze studie en niet verbaasd was over de nulresultaten. Desondanks, zegt Quach, was dit “een moedige poging om gravitonen te detecteren.”

Hoewel de microchip van Norte niet heeft ontdekt of zwaartekracht kwantum is, streven andere wetenschappers een verscheidenheid aan benaderingen na om gravitatie-kwantumeffecten te vinden. In 2017 suggereerden twee onafhankelijke studies bijvoorbeeld dat als zwaartekracht kwantum is, het een verbinding zou kunnen genereren die bekend staat als “verstrengeling” tussen deeltjes, zodat het ene deeltje onmiddellijk een ander deeltje beïnvloedt, ongeacht waar een van beide zich in de kosmos bevindt. Een tafel-experiment met laserstralen en microscopisch kleine diamanten zou kunnen helpen bij het zoeken naar een dergelijke op zwaartekracht gebaseerde verstrengeling. De kristallen zouden in een vacuüm worden gehouden om botsingen met atomen te vermijden, zodat zij alleen door de zwaartekracht met elkaar zouden interageren. Wetenschappers zouden deze diamanten tegelijkertijd laten vallen, en als de zwaartekracht kwantum is, zou de aantrekkingskracht die elk kristal op het andere uitoefent, ze met elkaar kunnen verstrengelen.

De onderzoekers zouden naar verstrengeling zoeken door na de val met lasers in het hart van elke diamant te schijnen. Als de deeltjes in de centra van de kristallen de ene kant op draaien, zouden ze fluoresceren, maar niet als ze de andere kant op draaien. Als de spins in beide kristallen vaker synchroon lopen dan het toeval zou voorspellen, zou dit op verstrengeling wijzen. “Experimentalisten over de hele wereld zijn nieuwsgierig om de uitdaging aan te gaan,” zegt kwantumzwaartekrachtonderzoeker Anupam Mazumdar van de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland, co-auteur van een van de verstrengelingsstudies.

Een andere strategie om bewijs te vinden voor quantumzwaartekracht is te kijken naar de kosmische microgolf-achtergrondstraling, het zwakke nagloeien van de oerknal, zegt kosmoloog Alan Guth van M.I.T. Quanta zoals gravitonen fluctueren als golven, en de kortste golflengten zouden de meest intense fluctuaties hebben. Toen de kosmos zich binnen een fractie van een seconde na de oerknal duizelingwekkend uitbreidde, volgens Guths alom ondersteunde kosmologische model dat bekend staat als inflatie, zouden deze korte golflengten zich over het heelal hebben uitgestrekt tot langere schalen. Dit bewijs van kwantumzwaartekracht zou zichtbaar kunnen zijn als wervelingen in de polarisatie, of uitlijning, van fotonen van de kosmische microgolf-achtergrondstraling.

De intensiteit van deze patronen van wervelingen, bekend als B-modes, hangt echter sterk af van de exacte energie en timing van de inflatie. “Sommige versies van de inflatie voorspellen dat deze B-modes spoedig gevonden moeten worden, terwijl andere versies voorspellen dat de B-modes zo zwak zijn dat er nooit enige hoop zal zijn om ze te detecteren,” zegt Guth. “Maar als ze gevonden worden, en de eigenschappen komen overeen met de verwachtingen van inflatie, dan zou dat een zeer sterk bewijs zijn dat de zwaartekracht gekwantiseerd is.”

Een andere manier om uit te vinden of de zwaartekracht kwantum is, is door direct te kijken naar kwantumfluctuaties in zwaartekrachtsgolven, waarvan gedacht wordt dat ze bestaan uit gravitonen die kort na de oerknal zijn gegenereerd. Het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) heeft in 2016 voor het eerst zwaartekrachtgolven gedetecteerd, maar het is niet gevoelig genoeg om de fluctuerende zwaartekrachtgolven in het vroege heelal te detecteren die door de inflatie tot op kosmische schaal zijn uitgerekt, zegt Guth. Een gravitatiegolf-observatorium in de ruimte, zoals de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), zou deze golven mogelijk kunnen detecteren, voegt Wilczek toe.

In een paper dat onlangs is geaccepteerd door het tijdschrift Classical and Quantum Gravity, betoogt astrofysicus Richard Lieu van de Universiteit van Alabama, Huntsville, echter dat LIGO al gravitonen had moeten detecteren als ze zoveel energie dragen als sommige huidige modellen van deeltjesfysica suggereren. Het kan zijn dat het graviton gewoon minder energie bevat dan verwacht, maar Lieu suggereert dat het ook kan betekenen dat het graviton niet bestaat. “Als het graviton helemaal niet bestaat, zal dat goed nieuws zijn voor de meeste natuurkundigen, omdat we zo’n verschrikkelijke tijd hebben gehad met het ontwikkelen van een theorie van kwantumzwaartekracht,” zegt Lieu.

Toch is het bedenken van theorieën die het graviton elimineren misschien niet eenvoudiger dan het bedenken van theorieën die het behouden. “Vanuit theoretisch oogpunt is het heel moeilijk voor te stellen hoe de zwaartekracht niet gekwantiseerd zou kunnen worden,” zegt Guth. “Ik ben me niet bewust van enige zinnige theorie over hoe klassieke zwaartekracht zou kunnen interageren met kwantum materie, en ik kan me niet voorstellen hoe zo’n theorie zou kunnen werken.”