Zijn er meer dimensies dan lengte, breedte, hoogte en tijd? Volgens twee wetenschappers zouden zwaartekrachtsgolven weleens het antwoord op die vraag kunnen leveren.

Natuur- en sterrenkundigen hebben een nieuw speeltje: zwaartekrachtsgolven. Sinds in februari 2016 bekend werd dat het Amerikaanse experiment LIGO deze trillingen in de ruimte als eerste had gemeten, hebben wetenschappers tal van manieren bedacht om ze te gebruiken om meer te weten te komen over ons heelal. Het nieuwste idee: zwaartekrachtsgolven zouden ons kunnen vertellen of er meer dimensies zijn.

Vastlopende hersenen

Extra dimensies klinken in eerste instantie als een nogal bizar idee. De dimensies die we kennen, zijn lengte, breedte en hoogte. Daarnaast, zo weten we sinds Einstein, moeten we tijd opvatten als de vierde dimensie.

Maar vervolgens lopen onze mensenhersenen vast. Wat zou nóg een dimensie moeten inhouden? Welke richting is er nog meer te bedenken, behalve naar voren of naar achteren, naar links of naar rechts, naar boven of naar beneden, of een combinatie daarvan?

Toch fantaseren natuurkundigen af en toe over hogere dimensies. We hebben weliswaar geen enkel bewijs voor het bestaan ervan, maar áls ze er zijn, zou dat in sommige gevallen wel verrekte handig zijn.

Trillende snaren

Neem de snaartheorie. Die stelt dat de natuur op de kleinste schaal bestaat uit minuscule snaartjes, die op allerlei verschillende manieren kunnen trillen. Trillen ze zus, dan zijn ze het ene deeltje, trillen ze zo, dan zijn ze het andere.

De werkelijkheid op die manier beschrijven, brengt een enorm voordeel met zich mee: je zou op die manier alle bekende deeltjes én alle krachten in ons heelal in één keer kunnen beschrijven. Dat is natuurkundigen nooit eerder gelukt, omdat de zwaartekracht op een heel andere manier werkt dan de overige krachten. Maar hij past naadloos in de snaartheorie.

Opgerold

Probleem met de snaartheorie (of eigenlijk: een van de problemen) is dat hij niet werkt voor een heelal met ‘maar’ drie ruimtelijke dimensies. Dat moeten er negen zijn, of zelfs tien. Dan kun je twee dingen doen: je theorie weggooien, of aannemen dat het heelal waar je in leeft eigenlijk negen of tien dimensies heeft.

Van die overige zes of zeven dimensies zouden we dan niets merken, zo stellen snaartheoretici, omdat ze ‘opgerold’ zijn op heel kleine schaal. Ze vormen daardoor geen nieuwe richtingen waar wij grote, lompe wezens in zouden kunnen bewegen.

Een andere kwestie die misschien is aan te pakken met hogere dimensies, is de vraag waarom de zwaartekracht zoveel zwakker is dan de andere krachten die we kennen. (Om precies te zijn: 100 miljard miljard miljard keer zo zwak als de op een na zwakste kracht.) Het antwoord zou kunnen zijn dat de zwaartekracht de enige kracht is die zich ook kan verspreiden over extra dimensies. Daardoor zou er, simpel gezegd, minder zwaartekracht overblijven voor de drie dimensies die wij kennen.

Extra golfjes

Maar hoe vind je dat soort extra dimensies dan? Volgens David Andriot en Gustavo Luceno Gómez, beide van het Max Planckinstituut voor Zwaartekracht in Potsdam, kan dat met behulp van zwaartekrachtsgolven. In een onlangs gepubliceerd artikel zetten zij uiteen dat die er namelijk net even anders uitzien mét extra dimensies dan zonder.

Allereerst liften er op een zwaartekrachtsgolf een heleboel extra zwaartekrachtsgolfjes mee als ons heelal vijf of meer dimensies telt. Probleem is dat deze bonusgolfjes heel hoge frequenties hebben, terwijl onze huidige experimenten alleen zwaartekrachtsgolven kunnen meten met lage frequenties. Toekomstige experimenten zoals de Einstein Telescope of de ruimtemissie LISA (zie het artikel ‘Project zwaartekracht’ in KIJK 4/2016) zullen daar helaas weinig aan veranderen.

Hoeveel detectors?

Gelukkig doen extra dimensies nog iets met zwaartekrachtsgolven. Zonder extra dimensies rekt een zwaartekrachtsgolf de ruimtetijd waar hij doorheen reist uit en drukt hij hem weer samen. Met extra dimensies laat zo’n golf de ruimtetijd ook nog opzwellen en weer samentrekken. En dat effect zouden we met de detectors die we nu gebruiken om zwaartekrachtsgolven te meten wél kunnen vastleggen.

Er wordt alleen nog gesteggeld over de vraag hoeveel van die detectors je dan nodig hebt. In het artikel van Adriot en Gómez valt te lezen dat je er drie moet hebben, die ook nog eens alle drie in verschillende richtingen moeten wijzen. In dat geval zouden er naast LIGO nog twee andere detectors nodig zijn. (LIGO bestaat weliswaar zelf uit twee detectors, die echter ongeveer dezelfde kant op wijzen.) “Maar er zijn ook wetenschappers die in reactie op ons artikel beweren dat het bij bepaalde zwaartekrachtsgolven al met minder detectors kan”, zegt Andriot.

Minder duidelijk

Zouden we dit tweede effect daadwerkelijk zien, dan kunnen de snaartheoretici helaas niet meteen de vlag uithangen. Dit zou namelijk een veel minder duidelijk bewijs zijn voor extra dimensies dan de eerdergenoemde ‘extra golfjes’. Er zijn ook andere verschijnselen te verzinnen die een vergelijkbaar effect zouden hebben op zwaartekrachtsgolven, vermoeden de onderzoekers. Bovendien zou het feit dat er meer dimensies zijn natuurlijk nog niet gelijk de snaartheorie bewijzen.

Maar hoe dan ook: alle manieren waarop een zwaartekrachtsgolf afwijkt van wat de algemene relativiteitstheorie voorschrijft, is interessant – zelfs als het uiteindelijk niets met extra dimensies of de snaartheorie te maken blijkt te hebben.

Bronnen: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, ArXiv.org, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, New Scientist, The Guardian

Beeld: NASA

Lees ook:

• Tijd: de raadselachtige dimensie
• Wijzen te snelle neutrino’s op extra dimensies?

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer (geen verzendkosten). Abonnee worden? Dat kan hier!