How big is Kwantumschuim?

Kwantumschuim is een voorgestelde structuur van ruimte en tijd op de allerkleinste schalen. Ruimte en tijd zouden daar woelen en fluctueren in plaats van glad te zijn. Kwantumschuim is nog nooit rechtstreeks waargenomen, dus de hierboven getoonde 9,3 × 10⁻³⁶ meter is geen meting. Dat getal is 9,3 gedeeld door een 1 gevolgd door 36 nullen. Natuurkundigen verwachten dat het schuim, als het bestaat, verschijnt bij ongeveer de Plancklengte, 1,6 × 10⁻³⁵ meter, ongeveer 1,7 keer zo groot als het getoonde getal.

Grootte

Ruimtetijd is de drie dimensies van de ruimte samen met de tijd. Op elke schaal die te meten is, ziet ruimtetijd er glad uit. Maar delen van de kwantummechanica, de theorie die atomen en deeltjes verklaart, voorspellen dat ruimtetijd op veel kleinere schalen niet glad zou blijven. Kleine gebieden zouden steeds veranderen, en ruimte en tijd zouden geen vaste waarden meer hebben.

Zulk schuim heeft geen rand die te meten is, dus de theorieën geven in plaats daarvan een schaal: de afstand waarop het schuim zichtbaar zou worden. NASA schat die op ongeveer de breedte van de kern van een waterstofatoom gedeeld door 100 miljard miljard (10²⁰). Dat komt neer op ongeveer de Plancklengte, de schaal waarop de kwantumeffecten van de zwaartekracht naar verwachting belangrijk worden. De exacte schaal hangt af van de theorie, en natuurkundigen hebben nog geen geteste theorie die zwaartekracht met kwantummechanica verbindt.

Groottevergelijkingen

De verwachte schaal van het schuim is ongeveer even groot als de Plancklengte, het eerstvolgende grotere object in de verkenner.
Een proton, ongeveer 1,7 femtometer breed, is ongeveer 100 miljard miljard (10²⁰) keer zo breed als de verwachte schaal van het schuim. Een femtometer is 10⁻¹⁵ meter.
Als de schaal van het schuim werd vergroot tot de breedte van een mensenhaar, ongeveer 0,1 millimeter, zou een proton ongeveer een lichtjaar breed zijn. Een lichtjaar is de afstand die licht in één jaar aflegt.
De quasars die Chandra waarnam voor de hieronder beschreven test uit 2015 liggen op ongeveer 12 miljard lichtjaar afstand. Die afstand is ongeveer 7 × 10⁶⁰ keer zo groot als de verwachte schaal van het schuim, en daarom kunnen kleine effecten onderweg oplopen.

Waar het idee vandaan kwam

De natuurkundige John Wheeler van Princeton University bedacht kwantumschuim en de naam ervan. De kwantummechanica voorspelde al dat deeltjes even konden ontstaan en weer verdwijnen. Wheeler stelde zich meer voor: de ruimtetijd zelf, opgeklopt tot een schuim van verwrongen vormen. Wheeler maakte ook de term “zwart gat” beroemd.

Testen op schuim

Het schuim is veel te klein om rechtstreeks te zien, dus astronomen zoeken naar de effecten ervan op licht. Als ruimtetijd schuimachtig is, zou de afstand die licht aflegt met minieme afwijkingen schommelen. In sommige modellen tellen deze schommelingen over miljarden lichtjaren op, tot verre objecten wazig worden en uit het zicht verdwijnen.

In 2015 testte een team onder leiding van Eric Perlman van het Florida Institute of Technology dit met quasars. Een quasar is een zeer helder object dat wordt aangedreven door materie die naar een reusachtig zwart gat valt. Het Chandra X-ray Observatory van NASA, de Fermi Gamma-ray Space Telescope van NASA en de VERITAS-telescopen namen verre quasars toch duidelijk waar. Het team concludeerde dat hiermee twee modellen van het schuim waren uitgesloten, waaronder een model dat holografisch schuim heet.

De kwestie is nog niet beslecht. In een congresartikel uit 2026 betoogden Eric Steinbring en Jack Ng, een van de auteurs van het onderzoek uit 2015, dat holografisch schuim alsnog past bij de spreiding in de gemeten posities van een extreem heldere gammaflits. Zij presenteren dit als één manier om de gegevens te lezen. Of de effecten van het schuim over lange afstanden kunnen oplopen, wordt al meer dan 20 jaar bediscussieerd.