Het equivalentieprincipe is ‚‚n van de hoekstenen van de algemene relativiteitstheorie. Natuurkundigen hebben nu kwantummechanica gebruikt om te laten zien hoe het tekort schiet.
Het equivalentieprincipe is ‚‚n van de meest fascinerende idee‰n binnen de moderne wetenschap. Het stelt dat de trage massa uit de eerste wet van Newton equivalent (gelijk) is aan de zware massa uit de gravitatiewet van Newton. Einstein schreef het als volgt op: de zwaartekracht die we op Aarde ervaren is gelijk aan de kracht die we zouden ervaren wanneer we ons in een ruimteschip zouden bevinden wat acceleert met 1G. Newton zou voorts gezegd hebben dat de m in F=ma hetzelfde is als de ms in F=Gm1m2/r^2.
Dit lijkt bij uitstek erg praktisch. Echter is het niets meer dan een stelling. We kunnen natuurlijk de equivalentie steeds preciezer meten, maar er is niets wat ons zal tegenhouden om te denken dat de relatie op een bepaald punt komt te vervallen. Verscheidene aanpassingen aan de relativiteitstheorie voorspellen dat dit zal gebeuren.
Een belangrijke vraag is wat kwantummechanica heeft in te brengen in deze zaak. Natuurkundigen is het tot nu toe nog niet gelukt om de kwantumtheorie te gebruiken als een handvat om het gedrag van de inerti‰le (trage) massa en de gravitationele massa te ontleden.
Dit alles verandert vandaag na het buitengewone werk van Endre Kajari en een paar collega’s van de Universiteit van Ulm in Duitsland. Zij laten zien hoe het mogelijk is om situaties te cre‰ren in de kwantumwereld waarbij de effecten van de inerti‰le en de gravitationele massa verschillend zijn. Ze laten zelfs zien dat deze verschillen onberekenbaar groot kunnen zijn.
Hun gedachtengang begint met het wijzen op een belangrijk onderscheid tussen kinetica, wat zich puur concentreert op beweging maar niet hoe het tot stand komt, en dynamica, wat zich concentreert op de oorsprong van beweging. In de klassieke wereld heeft dit geen effect op de richting van de inerti‰le en de gravitationele massa.
Echter speelt de manier waarop condities worden voorbereid een grote rol in de kwantumwereld. Ze laten bijvoorbeeld zien dat de golffunctie van een deeltje in een doos niet afhangt van de massa, terwijl de energetische golffunctie van een harmonische oscillator afhangt van de vierkantswortel van de massa.
Dat leidt tot een interessant idee: dat het mogelijk is om combinaties te cre‰ren van verschillende waarden voor wat betreft de elektromagnetische en de zwaartekracht bij een deeltje in een doos en bij oscillatoren, waarbinnen de inerti‰le en de gravitationele massa verschillende rollen spelen.
Het blijkt dat natuurkundigen hier al mee spelen: de zogenaamde atomaire trampoline, waarin een stroom van materie onder invloed komt van de zwaartekracht en tegen een elektromagnetische kracht stuit. Ze berekenen dat de eigenwaarden van het atoom proportioneel zijn voor de (gravitationele massa)^2/3, maar voor de (inerti‰le massa)^-1/3.
Dat is een verbazingwekkend resultaat. De energetische spectroscopie van atomen, of Bose-Einsteincondensaten, wat dit verschil zou kunnen zien, moet haalbaar zijn. Als het nu niet is, dan is het wel in de komende jaren.
Wanneer succesvol gebleken, zullen dit soort onderzoeken een nieuwe manier aanleveren om de aard van massa en, misschien belangrijker, de relatie tussen algemene relativiteit en kwantummechanica te bestuderen.
Kosmologen zullen dan bijvoorbeeld willen weten hoe inerti‰le en gravitationele massa zich gedragen in de meest extreme omstandigheden in het Heelal, zoals in zwarte gaten.
Er staan ons boeiende jaren te wachten.
Referentie: arxiv.org/abs/1006.1988: Inertial And Gravitational Mass In Quantum Mechanics