Relativiteit en kwantumfysica: Kwantumzwaartekracht en Zwarte Gaten

Maxwell’s wetten niet fundamenteel maar emergent

In ‘Wat is Licht‘ wordt door mij verdedigd dat de wetten van MaxWell die EM-golven beschrijven die altijd met de snelheid van het licht reizen geen fundamentele of beter gezegd geen elementaire wetten zijn. Daarmee is bedoeld dat EM-golven emergente verschijnselen zijn die op atomaire schaal en daaronder geen betekenis meer hebben. Vergelijk dat voor het begrip met een ander emergent verschijnsel, het golfgedrag of de natheid van water. Beide verschijnselen hebben ook geen betekenis meer op moleculair niveau.

Op atomair niveau dient de continue EM-golf namelijk vervangen te worden door discrete fotonen, energieuitwisselingen waarvan het fysieke onderweg zijn van oorsprong naar doel betwijfeld mag worden. Wat wij waarnemen is altijd de energieuitwisseling, nooit een foton dat onderweg betrapt wordt terwijl het verder ongestoord zijn weg vervolgt. Het enorme aantal fotonen (3 x 10²¹ voor oranje-geel licht) dat zelfs een lampje van 1 Watt nog per seconde uitzendt rechtvaardigt het behandelen van hun groepsgedrag als een continue golf maar het is dat niet. Dat zien we trouwens bevestigd in het feit dat het foton gezien wordt als het deeltje dat het elektromagnetische veld vertegenwoordigt waarmee dat veld tegenwoordig gezien wordt als een groepseffect van de onderlinge uitwisseling van fotonen. Het EM-veld bestaat dus eigenlijk niet meer op het atomaire niveau. En kunnen we op dat niveau dan nog steeds spreken van de snelheid van het licht? Volgens mij niet.

De lichtsnelheid op kwantumniveau

Als het klopt dat de EM-wetten van Maxwell niet fundamenteel zijn dan zal een groot deel van de wetenschappelijke literatuur waarin daar wél vanuit wordt gegaan herschreven moeten worden. Laten we de consequenties daarvan op de relativiteitstheorieën van Einstein daarom eens beter bekijken.

Beide relativiteitstheorieën zijn gebaseerd op de uitkomst van Maxwell’s wetten – dat de snelheid van het licht constant is, onafhankelijk dus de eigen positie en beweging van de waarnemer. In de speciale relativiteitstheorie betekent dit dat waarnemers die ten opzichte van elkaar eenparig bewegen, en altijd dezelfde snelheid van het licht zullen meten, elkaars klokken langzamer zullen zien lopen en elkaars meetlatten verkort zullen zien. De speciale relativiteitstheorie beperkt zich tot eenparige bewegingen, versnelde bewegingen behoren tot de algemene relativiteitstheorie oftewel de zwaartekrachttheorie.

Versnelde beweging en de traagheidskrachten die daardoor optreden zijn opgenomen in de algemene relativiteitstheorie . De geniale zet van Einstein was om in te zien dat de zwaartekracht niet echt te onderscheiden is van een traagheidskracht zoals we die bijvoorbeeld ondervinden in een draaimolen. Daarmee kon hij de zwaartekracht opnemen in zijn algemene relativiteit zodat niet alleen de effecten van versnelde bewegingen maar ook van zwaartekrachtvelden berekend konden worden. Uiteindelijk blijkt dan de kromming van de ruimtetijd in een punt een mathematisch te beschrijven relatie te hebben met de traagheidskrachten die een massa in dat punt ondervindt. Vandaar dat de algemene relativiteitstheorie ook wel zwaartekrachttheorie wordt genoemd.

Relativiteit op kwantumniveau

Als we nu bedenken dat:

• De fundamentele aanname in beide relativiteitstheorieën de constante snelheid van het licht is zoals die volgt uit de Maxwell vergelijkingen en die ook steeds weer experimenteel bevestigd is,
• De Maxwell vergelijkingen niet elementair zijn en dus niet meer opgaan op het atomaire oftewel kwantumniveau,
• Er geen experimentele bevestigingen zijn van de constantheid van de lichtsnelheid op kwantumniveau,

dan kunnen we hopelijk inzien waarop het samengaan van algemene relativiteit en kwantummechanica strandt. De snelheid van het licht heeft op atomair niveau geen fysieke betekenis meer en dat is nu precies het niveau waarop de kwantummechanica aanzienlijk van de voorspellingen van de klassieke Newtonmechanica gaat afwijken. Algemene relativiteit is namelijk nog een klassiek Newtoniaanse theorie.

Emergente zwaartekracht

Zwaartekracht is volgens Erik Verlinde een emergent verschijnsel. Hij stelt dat het een gevolg is van het verplaatsen van informatie. Dat is zeker niet hetzelfde als het bovenstaande verhaal maar een verband met de EM-golf als eveneens emergent verschijnsel lijkt mij een redelijke veronderstelling die het waard is om nader onderzocht te worden.

Bestaan zwarte gaten dan eigenlijk wel?

Zwarte gaten zijn het mathematische resultaat van de algemene relativiteit toegepast tot in het oneindig kleine. In een zwart gat neemt de zwaartekracht oneindig grote waarden aan in een oneindig klein punt. Zoiets kan in de wiskunde zonder probleem, delen door nul levert al oneindigheid op. Dat noemen we een singulariteit. Een zwart gat is dus een singulariteit die bestaat in het objectief waarneembare universum. Dat is ook de reden dat het bestaan ervan aanvankelijk zeer betwist werd, maar nu is dat gezien de krantenberichten veranderd. Is die omslag terecht?

Zoals hiervoor al gezegd is het niet juist om het geldigheidsdomein van de algemene relativiteit uit te breiden tot kleinere afmetingen dan het atomaire domein. De snelheid van het licht heeft bij die afmetingen echt geen betekenis meer.

Bestaan zwarte gaten, zoals die nu gesignaleerd worden in de media, dan toch niet?

Het eerste ontstaan van een zwart gat begint met het ineenstorten van geweldige hoeveelheden materie onder invloed van hun eigen zwaartekracht. Dus enorm massieve objecten zullen heus wel voorkomen in ons universum. Maar het idee dat ze, als ze maar zwaar en massief genoeg zijn, oneindig in blijven storten is een gevolg van die, mijns inziens, onterechte toepassing van algemene relativiteit op het subatomaire.

Maar die fotonen dan, die gaan toch met de lichtsnelheid?

Een tegenargument tegen het bovenstaande zou kunnen zijn dat de fotonen zelf toch ook met de lichtsnelheid reizen en dat de lichtsnelheid daarom ook in het kwantumdomein geldt. Ten eerste reizen fotonen niet met de lichtsnelheid, ze reizen helemaal niet. Lees weer ‘Wat is licht‘. Wat er hoogstens reist is de toestandsgolf van de fotonen. En goed beschouwd reist de toestandsgolf ook niet maar bestaat die uitgebreid over zijn gehele traject in tijd en ruimte. Het foton materialiseert zich pas bij meting. Daarbij ontvangt het meetinstrument een hoeveelheid energie die evenredig is met de frequentie van de lichtgolf (die niet meer op dat niveau, het kwantumniveau, fysiek bestaat). Het foton is daarom niet meer dan onze constatering dat er energie is overgedragen, meer niet. De kwantum toestandsgolf is een metafysisch iets dat de waarschijnlijkheid aangeeft om het foton op een bepaalde plek aan te treffen. Het is de vraag of de toestandsgolf reist, beweegt in de tijd dus, het ziet er eerder naar uit dat die golf zich uitstrekt in de tijd en zich in over zijn gehele bereik aanpast aan dat wat er op een bepaald tijdstip wordt gemeten. Iets wat ook het probleem van de communicatie zou kunnen verklaren die zou moeten optreden bij verstrengelde fotonen.

Wat nu veroorzaakt dat de energiesprong van het ene elektron naar het andere, en die in de tussenliggende ruimte niet bestaat, voor elke waarnemer altijd met de lichtsnelheid lijkt te gebeuren is vooralsnog een onopgelost raadsel. Wel gezegd kan worden is dat de lichtsnelheid dus een verschijnsel is waar een waarnemer aan te pas moet komen. En dat klopt weer wel met Einsteins basisaanname, elke waarnemer constateert altijd dezelfde snelheid van het licht, maar nu vanwege de tijd die de waarnemer ziet verstrijken tussen het verdwijnen van het foton en het verschijnen ervan bij aankomst op het meetinstrument. In feite het verplaatsen van ? jawel, informatie.

Het volgende onderwerp in deze rondleiding betreft de kwantummechanica zoals die begon in de eerste decennia van de 19^e eeuw bij Max Planck, Niels Bohr, Albert Einstein, Victor De Broglie, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, en Max Born.