Onderzoekers hebben het bestaan van ‘ruimtetijd-quasikristallen’ getheoretiseerd – structuren die ruimte en tijd vermengen in een niet-herhalend, maar toch ordelijk patroon – wat suggereert dat deze formaties de structuur van het universum zouden kunnen ondersteunen. Hoewel dit concept eerder werd waargenomen in materialen als meteorieten en atomair testafval, reikt het verder dan drie dimensies naar het vierdimensionale rijk van de ruimtetijd, zoals beschreven door Einsteins relativiteitstheorie.
De aard van quasikristallen
Traditionele kristallen vertonen een perfecte herhaling: een patroon dat, wanneer het wordt verschoven, naadloos op één lijn komt. Quasikristallen bezitten echter orde zonder deze regelmatige herhaling, een kenmerk dat voor het eerst werd ontdekt in natuurlijke materialen en later in laboratoria werd gesynthetiseerd. Het nieuwe element hier is de uitbreiding van dit concept naar de ruimtetijd zelf.
Waarom dit belangrijk is: De standaardmodellen van de natuurkunde gaan ervan uit dat de ruimtetijd bepaalde symmetrieën volgt, zoals de Lorentz-symmetrie, wat betekent dat natuurwetten niet mogen veranderen voor waarnemers met verschillende snelheden. Reguliere kristallen en quasi-kristallen doorbreken deze symmetrie wanneer ze vanuit verschillende referentiekaders worden bekeken, maar quasi-kristallen in de ruimtetijd zouden een structuur kunnen bieden die consistent blijft, ongeacht beweging.
Theoretische grondslag en Lorentz-symmetrie
De modellen van de onderzoekers voldoen aan de Lorentz-symmetrie door deze structuren te construeren uit hoger-dimensionale rasters. Deze rasters zijn opgedeeld op een irrationele helling – een wiskundige constante zoals pi die niet kan worden uitgedrukt als een eenvoudige breuk – waardoor wordt verzekerd dat de plak de rasterpunten nooit rechtstreeks snijdt. Deze niet-intersectie creëert het zich herhalende niet-patroon dat een quasikristal definieert.
In essentie: De geometrie van deze ruimtetijd-quasikristallen lijkt identiek voor waarnemers in rust of die met de lichtsnelheid reizen. Dit is van cruciaal belang omdat veel fundamentele natuurwetten afhankelijk zijn van de consistentie van waarnemingen over verschillende referentiekaders heen.
Implicaties voor kwantumzwaartekracht en snaartheorie
De implicaties van deze theoretische structuren strekken zich uit tot andere gebieden van de theoretische natuurkunde. Onderzoekers suggereren dat quasikristallen in de ruimtetijd een raamwerk kunnen bieden voor kwantumzwaartekrachttheorieën, die proberen de kwantummechanica te verzoenen met de algemene relativiteitstheorie. Op de kleinste schaal is de ruimtetijd misschien niet vloeiend, maar eerder opgesplitst in afzonderlijke punten. Quasikristallen zouden kunnen verklaren hoe deze fragmentatie de Lorentz-symmetrie respecteert.
Bovendien kruisen de modellen de snaartheorie, die stelt dat het universum tien dimensies heeft, maar dat er slechts vier direct waarneembaar zijn. Men denkt dat de andere zes dimensies opgerold zijn op een schaal die te klein is om te detecteren. Deze ruimtetijd-quasikristallen suggereren een alternatief: dat de waargenomen dimensies van het universum zijn opgebouwd uit een hoger-dimensionale structuur die in een irrationele hoek is gesneden, waardoor de illusie van oneindige ruimte en tijd ontstaat.
Status en toekomstig onderzoek
De onderzoekers erkennen zelf dat het werk ‘halfbakken’ is, wat aangeeft dat dit een voorlopig onderzoek is. De wiskundige elegantie van het concept heeft echter belangstelling gewekt van de natuurkundegemeenschap.
“Het is prachtige wiskunde”, zegt Gregory Moore van Rutgers University. “De natuurkunde is zeer speculatief.”
Verder onderzoek zal nodig zijn om te bepalen of deze theoretische structuren reële tegenhangers of meetbare effecten hebben. Niettemin biedt de stelling van ruimtetijd-quasikristallen een nieuwe manier om de fundamentele aard van de werkelijkheid te beschouwen.
