Vacuümfluctuaties kunnen de vorming van virtuele proto-universums veroorzaken, die onder bepaalde omstandigheden van een virtuele toestand naar een echte kunnen gaan.
Natuurkundigen hebben jarenlang geprobeerd een kwantumtheorie van zwaartekracht op te bouwen - tot nu toe helaas zonder succes. Bijna allemaal zijn ze het erover eens dat een dergelijke theorie Einsteins relativistische gravitatietheorie zou moeten combineren met de kwantummechanica, en dit is een heel, heel moeilijke taak.
De kwantummechanica, met al zijn paradoxen, beschrijft niettemin de eigenschappen van objecten die in de niet-gekromde Newtoniaanse ruimte bestaan. De toekomstige zwaartekrachtstheorie zou de probabilistische kwantummechanische wetten moeten uitbreiden tot de eigenschappen van de ruimte zelf (meer precies, ruimte-tijd), vervormd volgens de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Hoe je dit moet doen met behulp van rigoureuze wiskundige berekeningen, weet nog niemand echt.
Koude geboorte
De manieren om tot een dergelijke unie te komen, kunnen echter op kwalitatief niveau worden bedacht, en hier verschijnen zeer interessante vooruitzichten. Een van hen werd overwogen door de beroemde kosmoloog, professor aan de Universiteit van Arizona, Lawrence Krauss, in zijn onlangs gepubliceerde boek "A Universe From Nothing" ("Universe from nothing"). Zijn hypothese ziet er fantastisch uit, maar is op geen enkele manier in tegenspraak met de gevestigde natuurkundige wetten.
Aangenomen wordt dat ons universum is ontstaan uit een zeer hete begintoestand met een temperatuur in de orde van grootte van 1032 kelvin. Het is echter mogelijk om de koude geboorte van universa voor te stellen vanuit een puur vacuüm - meer precies, vanuit zijn kwantumfluctuaties. Het is bekend dat dergelijke fluctuaties een groot aantal virtuele deeltjes genereren die letterlijk uit het niets tevoorschijn kwamen en vervolgens spoorloos verdwenen. Volgens Krauss zijn vacuümfluctuaties in principe in staat om even kortstondige proto-universums te doen ontstaan, die onder bepaalde omstandigheden overgaan van een virtuele toestand naar een echte.
Promotie video:
Universum zonder energie
Wat is hiervoor nodig? De eerste en belangrijkste voorwaarde is dat het embryo van het toekomstige universum nul totale energie moet hebben. In dit geval is het niet alleen niet gedoemd tot bijna onmiddellijke verdwijning, maar kan het integendeel voor een willekeurig lange tijd bestaan. Dit komt door het feit dat, volgens de kwantummechanica, het product van de onzekerheid in de energie van een object door de onzekerheid in zijn levensduur niet minder mag zijn dan de uiteindelijke waarde - de constante van Planck.
De scheiding van fundamentele interacties in ons vroege universum had de aard van een faseovergang. Bij zeer hoge temperaturen werden fundamentele interacties gecombineerd, maar bij afkoeling onder de kritische temperatuur trad geen scheiding op (dit is te vergelijken met onderkoeling van water). Op dat moment overschreed de energie van het scalaire veld in verband met eenwording de temperatuur van het heelal, wat het veld met negatieve druk bezorgde en kosmologische inflatie veroorzaakte. Het heelal begon zeer snel uit te breiden, en op het moment van symmetriebreuk (bij een temperatuur van ongeveer 1028 K) nam de afmetingen ervan 1050 keer toe. Op dit moment verdween ook het scalaire veld dat geassocieerd was met de eenwording van interacties, en de energie ervan werd omgezet in een verdere uitbreiding van het universum.
Zodra de energie van een object strikt gelijk is aan nul, is het zonder enige onzekerheid bekend, en daarom kan de levensduur oneindig lang zijn. Door dit effect worden twee geladen lichamen die zich op zeer grote afstanden bevinden, van elkaar aangetrokken of afgestoten. Ze werken samen door de uitwisseling van virtuele fotonen, die zich vanwege hun nulmassa over elke afstand verspreiden. In tegendeel, ijkvectorbosonen die vanwege hun grote massa zwakke interacties dragen, bestaan slechts ongeveer 10-25 seconden, waardoor deze interacties een zeer kleine straal hebben.
Wat voor soort universum, zij het embryonaal, zonder energie? Zoals professor Krauss aan Popular Mechanics uitlegde, is hier niets mystieks aan: “De energie van zo'n universum bestaat uit positieve energie van deeltjes en straling (en mogelijk ook scalaire vacuümvelden) en negatieve potentiële energie van zwaartekracht. Hun som kan gelijk zijn aan nul - de wiskunde staat dit toe. Het is echter erg belangrijk dat een dergelijke energiebalans alleen mogelijk is in gesloten werelden, waarvan de ruimte een positieve kromming heeft. Vlakke en zelfs meer open universums hebben zo'n eigenschap niet”.
De faseovergang vond drie keer plaats in de evolutie van het heelal: bij een temperatuur van 10 tot 28 graden K (de Grote Eenwording van interacties viel uiteen), 10 tot 15 graden K (verval van de elektrozwakke interactie) en 10 tot 12 graden K (quarks begonnen zich te verenigen tot hadronen).
Wonderen van inflatie
Wat gebeurt er als de kwantumfluctuaties van het vacuüm aanleiding geven tot een virtueel universum zonder energie, dat vanwege kwantumkansen enige tijd heeft gekregen voor leven en evolutie? Het hangt af van de samenstelling. Als de ruimte van het heelal gevuld is met materie en straling, zal het eerst uitzetten, zijn maximale grootte bereiken en ineenstorten door de zwaartekracht, aangezien het slechts een fractie van een seconde heeft bestaan. Het is een andere kwestie of er scalaire velden in de ruimte zijn die het proces van inflatoire expansie kunnen veroorzaken. Er zijn scenario's waarin deze expansie niet alleen de ineenstorting van het "bubbel" -universum door de zwaartekracht voorkomt, maar het ook verandert in een bijna platte en grenzeloze wereld. Zo groeit ook de tijd van haar leven onmetelijk - bijna tot in het oneindige. Dus,een klein virtueel universum wordt heel echt - enorm groot en langlevend. Zelfs als zijn leeftijd eindig is, kan hij de huidige leeftijd van ons universum overschrijden. Daarom kunnen sterren en sterrenhopen, planeten en zelfs, wat in godsnaam geen grapje is, intelligent leven daar verschijnen. Een volwaardig universum dat letterlijk uit het niets is ontstaan - dit zijn de wonderen waartoe inflatie in staat is!
Alexey Levin
