Waarom is de zwaartekracht zo zwak in vergelijking met de andere vier fundamentele krachten?
Zelfs als het een miljard keer sterker zou zijn, zou het nog steeds de zwakste kracht zijn – met een factor van een miljard miljard. De vreemde zwakte van de zwaartekracht steekt eruit en eist bijna een antwoord.
Vreemd genoeg ligt de oplossing voor de zwakte van de zwaartekracht misschien niet in de zwaartekracht zelf, maar in de mechanica van het Higgs-deeltje en de aard van de ruimte-tijd.
Het hiërarchieprobleem
Til een stuk papier op. Gefeliciteerd, je hebt met succes de gecombineerde zwaartekracht van de hele planeet tegengegaan.
Het kostte niet veel moeite, want zwaartekracht is verreweg de zwakste van de vier fundamentele natuurkrachten. Met één maatstaf is de zwaartekracht duizend miljard miljard keer zwakker dan de sterke kernkrachtde sterkste van alle krachten.
Verwant: Kunstmatige zwaartekracht: definitie, toekomstige technologie en onderzoek
Hier is nog een manier om je de ware omvang van de zwakte van de zwaartekracht voor te stellen. Er is een limiet aan het kleinst mogelijke zwarte gat dat je kunt bouwen, en dat heet de Planck-massa. Je kunt het berekenen door de vierkantswortel te nemen van de gereduceerde constante van Planck maal de lichtsnelheid gedeeld door Newton‘s G. Die massa is ongeveer 10^-8 kilogram. Als de zwaartekracht sterk was – als de G van Newton groter was – dan zou je nog kleinere, lichtere zwarte gaten kunnen maken.
Ter vergelijking: de W- en Z-bosonen – de krachtdragers van de zwakke kernkracht – zijn ongeveer 10 quadriljoen keer lichter dan de Planck-massa. Dus de zwakke kernkracht, de op een na sterkste kracht na de zwaartekracht, is quadriljoen keer sterker dan de zwaartekracht.
Dit “hiërarchieprobleem” lijkt de meeste natuurkundigen vreemd. Natuurlijk, het zou kunnen zijn zoals het universum is, zonder dat er een verklaring voor nodig is, maar dat is niet erg bevredigend. In plaats daarvan lijkt het een kans om dieper in de fysica van de fundamentele krachten te graven en te kijken of er iets nieuws is dat we kunnen leren.
Wat is de Higgs aan de hand?
Laten we elektromagnetisme en de sterke kernkracht buiten beschouwing laten en de zwaartekracht vergelijken met zijn “dichtstbijzijnde” rivaal, de zwakke kernkracht. Als we kunnen antwoorden waarom de zwakke kernkracht zo indrukwekkend sterker is dan de zwaartekracht, kunnen we misschien het hele plaatje begrijpen.
We hebben geen idee waarom de zwaartekracht zo sterk is. Er is niets dat in enige theorie van de fysica voorkomt om de kracht ervan te verklaren. Maar er is iets dat de eigenschappen van de zwakke kernkracht lijkt te verklaren, en dat is de… Higgs-deeltje.
Het Higgs-deeltje is het veld dat alle ruimte-tijd doordrenkt en veel andere deeltjes, zoals elektronen, dwingt om ermee te interageren. Die interactie zorgt ervoor dat die elektronen een massa krijgen. Hoe meer iets interageert met de Higgs, hoe groter de massa is.
Onder de vele deeltjes die interageren met het Higgs-deeltje zijn de W- en Z-bosonen, en door die interactie verwerven ze massa. En het is de massa van de W- en Z-bosonen die de eigenschappen van de zwakke kernkracht bepaalt, want het zijn juist die deeltjes die het werk doen.
En wat bepaalt de massa van alle deeltjes die interageren met de Higgs? Waarom, niemand minder dan de massa van de Higgs zelf. Als het een andere massa had, zouden alle andere deeltjes, inclusief de W- en Z-bosonen, veranderen.
Dit is een goed moment om erop te wijzen dat de massa van de Higgs buitengewoon vreemd is. Het is groot – ongeveer 250 GeV, wat zo groot is als deeltjes gaan – maar niet enorm. Het is ook niet klein. In feite voorspelt een naïef kwantummechanisch begrip van hoe het Higgs werkt dat alle interacties waaraan het voortdurend deelneemt – wat veel – zouden elkaar ofwel perfect opheffen, de massa naar nul sturen, of elkaar versterken, waardoor de massa naar ergens in de buurt van het oneindige zou stijgen.
Iets zorgt ervoor dat het Higgs-deeltje nauwkeurig wordt afgesteld binnen een “aanvaardbaar” bereik dat alles gezond houdt. Maar dat Higgs-deeltje beperkt de W- en Z-bosonen tot hun kleine waarden, waardoor de zwakke kernkracht veel, veel sterker is dan de zwaartekracht.
Met andere woorden, zwaartekracht is de zwakste kracht in het universum, niet omdat er iets mis is met de zwaartekracht, maar omdat de zwakke kracht ‘vals speelt’.
Een kleine draai aan ruimte-tijd
Er is geen geaccepteerde oplossing voor de onnatuurlijke toestand van de Higgs-massa, en dus ook geen geaccepteerde oplossing voor het hiërarchieprobleem en de vreemde zwakte van de zwaartekracht.
Maar al deze discussie gaat ervan uit dat we alles correct berekenen – de massa van de Higgs, de Planck-massa, enzovoort. Misschien missen we iets fundamenteels over het universum.
Van de vele mogelijke oplossingen, stellen sommige ideeën ons begrip van de structuur van ruimte-tijd in twijfel. De snaartheorie heeft de pomp al klaargestoomd voor dergelijke ideeën, waardoor het bestaan van nieuwe, compacte ruimtelijke dimensies nodig is om de wiskunde van de theorie goed te laten uitkomen.
Maar in de snaartheorie zijn die extra dimensies super-duper klein, opgerold in strakke kleine vormen die niet groter zijn dan de Planck-lengte.
Het is echter mogelijk dat sommige van die extra dimensies wat groter zijn. Deze theorieën worden over het algemeen ‘grote extra dimensies’ genoemd, maar die extra dimensies zijn niet zo groot als je zou denken – slechts een millimeter of zo.
In deze theorieën zijn de andere drie natuurkrachten beperkt tot ons normale driedimensionale universum, dat soms een ‘braan’ wordt genoemd. De zwaartekracht kan echter zijn bereik uitbreiden door alle dimensies, de ‘bulk’ genoemd. In deze visie is de zwaartekracht net zo sterk – zo niet sterker! – dan de andere krachten, maar het is gedwongen zich uit te spreiden over meer dimensies dan wie dan ook. Dus het lijkt gewoon zwakker voor onze driedimensionale experimenten.
We hebben de zwaartekracht getest tot ongelooflijke precisie, maar niet noodzakelijk op zulke kleine schaal. Als ons universum extra “grote” ruimtelijke dimensies zou hebben, dan zouden we funky dingen gaan zien gebeuren op afstanden van minder dan een millimeter.
We kunnen bijvoorbeeld zien dat de zwaartekracht op kleine afstanden sterker werkt dan verwacht, omdat er geen kans is geweest om naar de extra dimensies te “lekken”. Of we beginnen misschien tiny te mode zwarte gaten in onze deeltjesversnellers, omdat het op die kleine schalen gemakkelijker zou zijn dan we dachten om een zwart gat te bouwen.
Tot nu toe heeft geen enkel experiment enig bewijs gevonden voor extra dimensies. En de zwaartekracht blijft frustrerend zwak.
Lees meer door te luisteren naar de podcast “Ask a Spaceman”, beschikbaar op iTunes (opent in nieuw tabblad) en askaspaceman.com (opent in nieuw tabblad). Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul te volgen @PaulMattSutter (opent in nieuw tabblad) en facebook.com/PaulMattSutter (opent in nieuw tabblad).
Aanvullende bronnen
Voor meer informatie over zwaartekracht check out”De beklimming van de zwaartekracht: de zoektocht naar de kracht die alles verklaart“ (opent in nieuw tabblad) door Marcus Chown en “De werkelijkheid is niet wat het lijkt: de reis naar kwantumzwaartekracht“ (opent in nieuw tabblad) door Carlo Rovelli.
Bibliografie
- Kapil Chandra, “Waarom zwaartekracht een zwakke natuurkracht is? (opent in nieuw tabblad)“, Journal of High Energy Physics, Gravitation and Kosmology (opent in nieuw tabblad)Jaargang 6, juli 2020.
- Daniel Harlow, et al,”Het vermoeden van de zwakke zwaartekracht: een recensie (opent in nieuw tabblad)“, High Energy Physics – Theory, januari 2022.
- Shahar Hod,”Een bewijs van het zwakke vermoeden van de zwaartekracht (opent in nieuw tabblad)“, International Journal of Modern Physics D, Volume 26, juni 2017.
- Cern, “Het Higgs-boson (opent in nieuw tabblad)‘, geraadpleegd in juni 2022.
- Cern, “Het Z-boson (opent in nieuw tabblad)‘, geraadpleegd in juni 2022.
- Cern, “W boson: zonneschijn en sterrenstof (opent in nieuw tabblad)‘, geraadpleegd in juni 2022.
- nationale ruimtevaartvereniging,”Wat is zwaartekracht? (opent in nieuw tabblad)‘, geraadpleegd in juni 2022.