Het universum is waar het altijd was en altijd zal zijn. Dat is tenminste wat ons werd verteld en volgt dus uit het woord "Universum". Maar wat de ware aard van het universum ook is, ons vermogen om informatie erover te verzamelen is fundamenteel beperkt. Sinds de oerknal zijn 13,8 miljard jaar verstreken en de snelheid waarmee informatie reist - de ultieme snelheid, de lichtsnelheid - is beperkt. Daarom, hoewel het hele universum werkelijk onbeperkt kan zijn, is het waarneembare universum dat niet.
Volgens de leidende ideeën van de theoretische fysica kan ons universum een klein gebied zijn met enorme veelvoudige universums, die oneindig veel kunnen zijn. Sommige van deze ideeën zijn echt wetenschappelijk, en andere zijn puur speculatief, wensdenken. Laten we leren hoe we ze kunnen scheiden. Maar eerst wat achtergrondinformatie.
Zijn er meerdere universums?
Het moderne universum biedt ons verschillende interessante feiten die heel gemakkelijk waar te nemen en te verifiëren zijn, althans met behulp van wetenschappelijke objecten van wereldklasse. We weten dat het heelal uitdijt: we kunnen de eigenschappen van melkwegstelsels meten, hun afstand en snelheid achterhalen om van ons af te bewegen. Hoe verder ze zijn, hoe sneller ze worden verwijderd. In de context van de algemene relativiteitstheorie betekent dit dat het universum zich uitbreidt.
En als het universum zich vandaag uitbreidt, betekent dat dat het in het verleden kleiner en dichter was. Als je in het verleden diep genoeg gaat, zul je merken dat het ook homogener was (omdat het even duurde voordat de zwaartekracht alles in stapels verzamelde) en heter (omdat kortere golflengten van licht hogere energieën en temperaturen betekenen). Dit brengt ons terug bij de oerknal.
Maar de oerknal was niet het allereerste begin van het universum. We kunnen maar tot een bepaald moment in het verleden kijken, waarna de voorspellingen van de oerknal ophouden uit te komen. Er zijn verschillende waarnemingen van dingen in het universum die de oerknal niet verklaart, maar de theorie van kosmische inflatie wel.
Promotie video:
In de jaren tachtig werden nogal wat theoretische implicaties van inflatie ontwikkeld, waaronder:
- hoe het zaaien van grootschalige structuren eruit zou moeten zien;
- dat temperatuur- en dichtheidsschommelingen moeten voorkomen op een schaal die de kosmische horizon overschrijdt;
- dat alle gebieden in de ruimte, zelfs met fluctuaties, een constante entropie moeten hebben;
- moet de maximale temperatuur zijn die wordt bereikt door de oerknal.
In de jaren negentig, 2000 en 2010 werden deze vier voorspellingen met hoge nauwkeurigheid waarneembaar bevestigd. Kosmische inflatie wint.
Inflatie vertelt ons dat vóór de oerknal het universum niet gevuld was met deeltjes, antideeltjes en straling. In plaats daarvan was het gevuld met de energie die inherent is aan de ruimte zelf, en deze energie zorgde ervoor dat de ruimte snel, onverbiddelijk en exponentieel uitbreidde. Op een gegeven moment eindigde de inflatie en bleek al (of bijna alle) deze energie te zijn omgezet in materie en energie, wat een hete oerknal op gang bracht. Het einde van de inflatie markeerde het begin van de oerknal. Dat wil zeggen, er was een oerknal, maar niet helemaal in het begin.
Als dit het volledige verhaal was, zouden we één extreem groot universum in onze handen hebben. De eigenschappen zouden overal hetzelfde zijn, de wetten zijn hetzelfde, en de delen die zich buiten de zichtbare horizon bevonden, zouden vergelijkbaar zijn met de plaats waar we zijn, maar het zou onmogelijk zijn om ze meerdere universums te noemen.
Dat wil zeggen, het zou pas mogelijk zijn als je je herinnert dat alles wat fysiek bestaat, kwantum van aard moet zijn. Zelfs inflatie, met alle onbekenden eromheen, moet een kwantumveld zijn.
Als je inflatie nodig hebt om de eigenschappen van kwantumvelden te hebben:
- in zijn eigenschappen moeten er onzekerheden in zitten;
- het veld moet worden beschreven door een golffunctie;
- veldwaarden strekken zich uit over de tijd;
dan kom je tot een ongebruikelijke conclusie.
De inflatie eindigde niet overal tegelijk, maar op aparte, gekozen, onafhankelijke locaties, terwijl de ruimte ertussen bleef groeien. Er moeten verschillende enorme gebieden in de ruimte zijn waar de inflatie ophoudt en de oerknal begint, maar ze zullen elkaar nooit ontmoeten omdat ze worden gescheiden door gebieden met zwellende ruimte. Eenmaal begonnen, zal de inflatie zeker en voor onbepaalde tijd doorgaan, althans op sommige plaatsen.
Als de inflatie stopt, krijgen we een oerknal. Het deel van het heelal dat we waarnemen, is slechts een deel van het gebied waarin de inflatie is geëindigd, waarachter veel van het niet-waarneembare heelal is. En er is een enorm aantal onder elkaar verdeelde regio's met exact dezelfde geschiedenis.
Dit is het idee van meerdere universums. Zoals je kunt zien, is het gebaseerd op twee onafhankelijke, gevestigde en algemeen aanvaarde aspecten van de theoretische fysica: de kwantum-aard van alles en de eigenschappen van kosmische inflatie. Er is geen manier om het te meten, en er is geen manier om het niet-waarneembare deel van het universum te meten. Maar de twee theorieën die eraan ten grondslag liggen, inflatie en kwantumfysica, hebben hun waarde bewezen. Als ze correct zijn, zullen meerdere universums hiervan het onvermijdelijke gevolg zijn, en we zullen erin leven.
Dus? Er zijn veel theoretische implicaties die onvermijdelijk zijn, maar die we niet zeker weten omdat we ze niet kunnen verifiëren. Meerdere universums zijn zo'n gevolg. Niet dat het nuttig is, het is gewoon een interessante voorspelling die voortkomt uit theorieën.
Waarom schrijven zoveel theoretische natuurkundigen papers over meerdere universums? Over het onderwerp van parallelle universums en hun relatie met de onze? Waarom beweren ze dat meerdere universums gebonden zijn aan snaren, een kosmologische constante, en het feit dat ons universum ideaal is afgestemd op leven?
Omdat ze geen betere ideeën hebben.
In de context van de snaartheorie is er een enorme lijst met parameters die in principe bijna elke waarde kunnen aannemen. Deze theorie doet geen voorspellingen voor hen, dus we zijn gedwongen om hun betekenis te achterhalen in de context van string vacua. Als je hebt gehoord van ongelooflijk grote getallen, zoals de beroemde 10 tot de 500-kracht die in de snaartheorie voorkomt, verwijzen ze naar de mogelijke betekenissen van string vacua. We weten nog niet wat ze zijn of waarom ze zulke betekenissen hebben. Niemand weet ze te tellen.
Dus in plaats van te zeggen: "Dit zijn meerdere universums!", Denken mensen als volgt:
- We weten niet waarom de fundamentele constanten de waarden hebben die ze hebben.
- We weten niet waarom de wetten van de fysica zijn wat ze zijn.
- Snaartheorie is een raamwerk dat onze natuurwetten kan voorzien van onze fundamentele constanten, maar ook voor andere wetten of constanten.
- Als we dus enorm veel universums hebben, waarin verschillende regio's verschillende wetten en constanten hebben, kan een daarvan de onze zijn.
Het probleem is dat dit allemaal niet alleen puur speculatief is, maar er is, gezien de inflatie en de kwantumfysica, geen reden om aan te nemen dat zwellende ruimte-tijd verschillende wetten of constanten heeft in verschillende regio's.
Houd je niet van deze manier van redeneren? En niemand vindt het leuk.
Zoals we al hebben ontdekt, zijn meerdere universums op zichzelf geen wetenschappelijke theorie. Het is eerder een theoretisch gevolg van de wetten van de fysica in hun volledige begrip. Zelfs als je een inflatoir universum hebt dat wordt beheerst door kwantumfysica, zul je eraan gehecht zijn. Maar - net als de snaartheorie - heeft het problemen: het voorspelt niets dat we hebben waargenomen en zonder het niet zouden kunnen verklaren, en het voorspelt niets concreets waar we naar zouden kunnen kijken.
In dit fysieke universum is het belangrijk om alles te observeren wat we kunnen, en stukje bij beetje alle kennis te verzamelen waartoe we toegang hebben. Alleen op basis van een complete set gegevens waarvan we hopen dat deze correct zijn, zal het mogelijk zijn om wetenschappelijke oordelen te vellen over de aard van het universum. Sommige van deze bevindingen zullen gevolgen hebben die we niet kunnen meten en bewijzen: het bestaan van meerdere universums bijvoorbeeld. Maar als mensen praten over fundamentele constanten, over de wetten van de fysica, over de waarden van snaarvacuüm, zijn ze niet bezig met wetenschap, ze praten alleen maar. U kunt zoveel over meerdere universums roddelen als u wilt en de prominente werken van dergelijke theoretici als voorbeeld noemen, maar u kunt hier geen wetenschappelijke visie op maken.
Ilya Khel
