211service.com
Nieuwe kwantumtheorie scheidt zwaartekracht en traagheidsmassa
Het equivalentieprincipe is een van de meest fascinerende ideeën in de moderne wetenschap. Het stelt dat gravitatiemassa en traagheidsmassa identiek zijn. Einstein zei het zo: de zwaartekracht die we op aarde ervaren is identiek aan de kracht die we zouden ervaren als we in een ruimteschip zouden zitten dat met 1g versnelt. Newton had kunnen zeggen dat de m in F=ma hetzelfde is als de ms in F=Gm1m2/r^2.
Dit lijkt bij uitstek verstandig. En toch is het niet meer dan een bewering. Natuurlijk kunnen we de gelijkwaardigheid met steeds grotere nauwkeurigheid meten, maar er is niets dat ons ervan weerhoudt te denken dat de relatie op een gegeven moment zal stuklopen. Verschillende aanpassingen aan de relativiteitstheorie voorspellen dat dit inderdaad het geval zal zijn.
Een belangrijke vraag is wat de kwantummechanica hierover te zeggen heeft. Maar natuurkundigen zijn er tot nu toe niet in geslaagd de kwantumtheorie te gebruiken als een hefboom om het gedrag van traagheids- en zwaartekrachtmassa uit elkaar te halen.
Dat verandert vandaag allemaal met het buitengewone werk van Endre Kajari aan de Universiteit van Ulm in Duitsland en een paar maatjes. Ze laten zien hoe het mogelijk is om in de kwantumwereld situaties te creëren waarin de effecten van traagheids- en gravitatiemassa verschillend moeten zijn. In feite laten ze zien dat deze verschillen willekeurig groot kunnen zijn.
Hun denken begint door te wijzen op het belangrijke onderscheid tussen kinematica, die zich puur bezighoudt met beweging, niet hoe deze ontstaat, en dynamiek die zich richt op de oorsprong van beweging. In de klassieke wereld heeft dit geen invloed op de effecten van traagheid en zwaartekracht.
In de kwantumwereld heeft de manier waarop staten worden voorbereid echter een enorme betekenis. Ze wijzen er bijvoorbeeld op dat de golffunctie van een deeltje in een doos helemaal niet afhangt van de massa, terwijl de energiegolffunctie van een harmonische oscillator afhangt van de vierkantswortel van de massa.
Dat leidt tot een interessant idee: dat het mogelijk is om combinaties te maken van gravitatie- en elektromagnetische dozen en oscillatoren waarin traagheids- en gravitatiemassa verschillende rollen spelen.
Het blijkt dat natuurkundigen al spelen met precies dit soort opstelling: de zogenaamde atoomtrampoline, waarbij een materiegolf onder invloed van de zwaartekracht valt maar wordt teruggekaatst door een elektromagnetische kracht. Ze berekenen dat de energie-eigenwaarden van het atoom evenredig zijn met de (zwaartekrachtmassa)^2/3 maar met de (traagheidsmassa)^-1/3.
Dat is een verbluffend resultaat. Het soort energiespectroscopie van atomen of Bose Einstein-condensaten dat dit verschil kan detecteren, zou haalbaar moeten zijn, zo niet nu, dan wel heel snel binnen de komende jaren.
Als dit lukt, zullen dit soort onderzoeken een geheel nieuwe manier bieden om de aard van massa te bestuderen en, misschien nog belangrijker, om de raadselachtige relatie tussen de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica te onderzoeken.
Kosmologen zullen bijvoorbeeld willen weten hoe traagheids- en gravitatiemassa zich gedraagt in de meest extreme omstandigheden in het heelal, zoals in zwarte gaten.
Dat belooft een paar spannende jaren voor de boeg.
Referentie: arxiv.org/abs/1006.1988 : Traagheids- en zwaartekrachtmassa in kwantummechanica