Ons universum is 13,7 miljard jaar geleden ontstaan, gegenereerd door de oerknal, en al generaties lang proberen wetenschappers dit fenomeen te begrijpen.
Aan het einde van de jaren 20 van de twintigste eeuw ontdekte Edwin Hubble dat alle melkwegstelsels die we zien verstrooien - als fragmenten van een granaat na een explosie, terwijl de Belgische astronoom en theoloog Georges Lemaitre zijn hypothese naar voren bracht (in 1931 werd deze gepubliceerd op de pagina's van "Nature"). Hij gelooft dat de geschiedenis van het universum begon met de explosie van het 'primaire atoom', en dit gaf aanleiding tot tijd, ruimte en materie (eerder, begin jaren twintig, kwam Sovjetwetenschapper Alexander Fridman, die de vergelijkingen van Einstein analyseerde, ook tot de conclusie dat "Het universum is ontstaan vanuit een punt" en het kostte "tientallen miljarden van onze gebruikelijke jaren").
In eerste instantie verwierpen astronomen de redenering van de Belgische theoloog fel. Omdat de oerknaltheorie perfect gecombineerd was met het christelijk geloof in God de Schepper. Twee eeuwen lang hebben wetenschappers de penetratie in de wetenschap onderdrukt van elke vorm van religieuze speculatie over het "begin van alle begin". En nu keert God, uit de natuur verdreven onder het afgemeten zwaaien van de wielen van de Newtoniaanse mechanica, onverwacht terug. Hij komt in de vlammen van de oerknal en het is moeilijk om een triomfantelijker beeld van zijn uiterlijk voor te stellen.
Het probleem zat echter niet alleen in de theologie - de Big Bang gehoorzaamde niet aan de wetten van de exacte wetenschappen. Het belangrijkste moment in de geschiedenis van het heelal was onbegrijpelijk. Op dit unieke (speciale) punt, gelegen op de as van ruimte-tijd, hield de algemene relativiteitstheorie op te werken, omdat druk, temperatuur, energiedichtheid en kromming van de ruimte tot in het oneindige snelden, dat wil zeggen, ze verloren alle fysieke betekenis. Op dit punt verdwenen al deze seconden, meters en astronomische eenheden, veranderden niet in nul, niet in negatieve waarden, maar in hun volledige afwezigheid, in absolute zinloosheid. Dit punt is een gat dat niet kan worden overbrugd op de stelten van de logica of wiskunde, een gat in tijd en ruimte.
Pas eind jaren zestig lieten Roger Penrose en Stephen Hawking overtuigend zien dat, binnen het kader van Einsteins theorie, de oerknal-singulariteit onvermijdelijk is. Dit kon het werk van theoretici echter niet vergemakkelijken. Hoe de oerknal omschrijven? Wat was bijvoorbeeld de oorzaak van deze gebeurtenis? Immers, als er voor hem helemaal geen tijd was, dan leek er geen reden te zijn om hem te baren.
Zoals we nu begrijpen, is het, om een complete theorie van de oerknal te creëren, noodzakelijk om Einsteins leer, die ruimte en tijd beschrijft, te koppelen aan de kwantumtheorie, die handelt over elementaire deeltjes en hun interacties. Waarschijnlijk kan het meer dan een decennium duren voordat het mogelijk zal zijn om dit te doen en een enkele 'formule van het universum' af te leiden.
En waar kon bijvoorbeeld de enorme hoeveelheid energie verschijnen die aanleiding gaf tot deze explosie van ongelooflijke kracht? Misschien is het door ons universum geërfd van zijn voorganger, die ineenstortte tot een enkel punt? Maar waar heeft ze het dan vandaan? Of werd de energie in het oervacuüm gegoten, waaruit ons universum als een "schuimbel" naar buiten gleed? Of dragen de universums van de oudere generatie energie over naar de universums van de jongere generatie via zwarte gaten - die singuliere punten - in de diepten waarvan misschien nieuwe werelden worden geboren die we nooit zullen zien? Hoe het ook zij, het universum verschijnt in dergelijke modellen als een "open systeem", dat niet helemaal overeenkomt met het "klassieke" beeld van de oerknal: "Er was niets, en plotseling werd het universum geboren."
Het universum bevond zich ten tijde van de vorming in een extreem dichte en hete staat.
Promotie video:
Of misschien, volgens sommige onderzoekers, is ons universum over het algemeen … verstoken van energie, of liever gezegd, de totale energie is nul? De positieve energie van straling die door materie wordt uitgezonden, wordt bovenop de negatieve energie van de zwaartekracht gelegd. Plus en min geeft nul. Deze beruchte "0" lijkt de sleutel te zijn om de aard van de oerknal te begrijpen. Van hem - van "nul", van "niets" - werd alles ogenblikkelijk geboren. Toevallig. Spontaan. Alleen maar. Een verwaarloosbare afwijking van 0 veroorzaakte een universele lawine van gebeurtenissen. Men kan ook zo'n vergelijking maken: een stenen bal, balancerend op een top van een of andere Chomolungma zo dun als een torenspits, zwaaide plotseling en rolde naar beneden, wat een 'lawine van gebeurtenissen' veroorzaakte.
1973 - natuurkundige Edward Trion uit Amerika probeerde het proces van de geboorte van ons universum te beschrijven met behulp van het Heisenberg-onzekerheidsprincipe, een van de grondslagen van de kwantumtheorie. Volgens dit principe geldt: hoe nauwkeuriger we bijvoorbeeld energie meten, hoe onzekerder de tijd wordt. Dus als de energie strikt nul is, kan de tijd willekeurig lang zijn. Zo groot dat vroeg of laat een fluctuatie zal ontstaan in het kwantumvacuüm waaruit het heelal zal ontstaan. Dit zal leiden tot de snelle groei van de ruimte, schijnbaar uit het niets. "Het is gewoon dat heelal soms wordt geboren, dat is alles," zo legde Trion eenvoudig de achtergrond van de oerknal uit. Het was een grote willekeurige explosie. Dat is alles.
Zou de oerknal opnieuw kunnen gebeuren?
Vreemd genoeg wel. We leven in een universum dat nog steeds vrucht kan dragen en nieuwe werelden kan baren. Er zijn verschillende modellen gemaakt die de "Big Bangs" van de toekomst beschrijven.
Waarom verschijnen er bijvoorbeeld in hetzelfde vacuüm dat ons heelal heeft voortgebracht geen nieuwe fluctuaties? Misschien zijn er in deze 13,7 miljard jaar ontelbare werelden naast ons universum verschenen, die elkaar op geen enkele manier raakten. Ze hebben verschillende natuurwetten, er zijn verschillende fysische constanten. In de meeste van deze werelden zou er nooit leven kunnen ontstaan. Velen van hen sterven onmiddellijk, instorten. Maar in sommige universums - door puur toeval! - er zijn omstandigheden waaronder leven kan ontstaan.
Maar het punt is niet alleen in het vacuüm dat overblijft vóór het begin van "alle tijden en volken". Schommelingen die beladen zijn met toekomstige werelden kunnen ook optreden in een vacuüm dat verspreid is in ons universum - meer bepaald in de donkere energie die het vult. Dit soort model van het "vernieuwende universum" is ontwikkeld door de Amerikaanse kosmoloog, een inwoner van de Sovjet-Unie, Alexander Vilenkin. Deze nieuwe "big bangs" vormen geen bedreiging voor ons. Ze zullen de structuur van het universum niet vernietigen, ze zullen het niet tot as verbranden, maar alleen een nieuwe ruimte creëren buiten de grenzen van onze waarneming en begrip. Misschien vinden dergelijke "explosies", die de geboorte van nieuwe werelden markeren, plaats in de diepten van talloze zwarte gaten in de ruimte, meent de Amerikaanse astrofysicus Lee Smolin.
Een andere inwoner van de USSR, woonachtig in het Westen, gelooft kosmoloog Andrei Linde dat we zelf in staat zijn om een nieuwe oerknal te creëren, nadat we op een bepaald punt in de ruimte een enorme hoeveelheid energie hebben verzameld die een bepaalde kritische grens overschrijdt. Volgens zijn berekeningen zouden ruimte-ingenieurs van de toekomst een onzichtbaar snufje materie - slechts een paar honderdsten van een milligram - zo kunnen condenseren dat de energie van dit stolsel 1015 giga-volt zal zijn. Er zal zich een klein zwart gat vormen, dat exponentieel begint uit te breiden. Dit zal een "dochteruniversum" creëren met zijn eigen ruimte-tijd, die zich snel van ons universum scheidt.
… Er zijn veel fantastische dingen in de aard van de oerknal. Maar de geldigheid van deze theorie wordt bewezen door een aantal natuurlijke verschijnselen. Deze omvatten de waargenomen expansie van het heelal, het beeld van de verdeling van chemische elementen, evenals de kosmische achtergrondstraling, die het "relikwie van de oerknal" wordt genoemd.
Voor de oerknal?
De wereld bestaat niet voor altijd. Het is ontstaan in de vlammen van de oerknal. Was dit echter een uniek fenomeen in de geschiedenis van de ruimte? Of een terugkerende gebeurtenis zoals de geboorte van sterren en planeten? Wat als de oerknal slechts een overgangsfase is van de ene staat van eeuwigheid naar de andere?
Veel natuurkundigen zeggen dat er aanvankelijk Iets was en niet Niets. Misschien is ons universum - net als anderen - geboren uit een elementair kwantumvacuüm. Maar hoe "minimaal eenvoudig" zo'n toestand ook is - en minder dan een kwantumvacuüm, de wetten van de fysica staan het niet toe - het kan niet "Niets" worden genoemd.
Misschien is het universum dat we zien gewoon een andere geaggregeerde staat van eeuwigheid? En de bizarre opstelling van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels - zoiets als een kristalrooster, dat in de n-dimensionale wereld die bestond vóór de geboorte van ons universum, een totaal andere structuur had en die mogelijk werd voorspeld door de "formule voor alles" waarnaar Einstein op zoek was? En zal het de komende decennia worden gevonden? Wetenschappers turen intens door de muur van het onbekende, die ons universum heeft afgeschermd, in een poging te begrijpen wat er een moment eerder gebeurde, volgens onze gebruikelijke ideeën was er absoluut niets. Welke vormen van de eeuwige kosmos kunnen we ons voorstellen door tijd en ruimte te schenken met die eigenschappen die ondenkbaar zijn in ons universum?
Enkele van de meest veelbelovende theorieën waar natuurkundigen een hele eeuwigheid in proberen te persen, zijn misschien de theorie van de kwantumgeometrie, de kwantumspindynamica of de kwantumzwaartekracht. De grootste bijdragen aan hun ontwikkeling werden geleverd door Abei Ashtekar, Ted Jacobson, Jerzy Lewandowski, Carlo Rovelli, Lee Smolin en Thomas Thiemann. Dit zijn allemaal de meest complexe fysieke constructies, hele paleizen, gebouwd op basis van formules en hypothesen, gewoon om de kloof te verbergen die verborgen is in hun diepte en duisternis, de singulariteit van tijd en ruimte.
Het tijdperk van de singulariteit
De omslachtige paden van nieuwe theorieën dwingen ons om over de schijnbaar voor de hand liggende waarheden te stappen. Dus in de kwantumgeometrie vallen ruimte en tijd, die voorheen oneindig gefragmenteerd waren, plotseling uiteen in afzonderlijke eilanden - delen, kwanta, minder dan dat er niets is. Alle singuliere punten kunnen in deze "keien" worden ingebed. De ruimte-tijd zelf verandert in een vervlechting van eendimensionale structuren - een "netwerk van spins", dat wil zeggen, het wordt een discrete structuur, een soort ketting, geweven uit afzonderlijke schakels.
Het volume van de kleinst mogelijke lus van ruimte is slechts 10-99 kubieke centimeter. Deze waarde is zo klein dat er in één kubieke centimeter veel meer quanta ruimte zijn dan diezelfde kubieke centimeter in het heelal die we waarnemen (het volume is 1085 centimeter in een kubus). Er is niets binnen de kwanta van de ruimte, geen energie, het maakt niet uit - net zoals binnen een wiskundig punt - per definitie - er is geen driehoek of icosaëder. Maar als we de hypothese van "submicroscopisch weefsel van het universum" toepassen om de oerknal te beschrijven, krijgen we verbluffende resultaten, zoals Abei Ashtekar en Martin Bojovald van de Universiteit van Pennsylvania hebben aangetoond.
Als we de differentiaalvergelijkingen in de standaardtheorie van de kosmologie, die uitgaan van een continue stroom van ruimte, vervangen door andere differentiaalvergelijkingen die volgen uit de theorie van de kwantummeetkunde, dan verdwijnt de mysterieuze singulariteit. De natuurkunde houdt niet op waar de oerknal begint - dit is de eerste bemoedigende conclusie van kosmologen, die weigerden de eigenschappen van het universum te accepteren die wij als de ultieme waarheid beschouwen.
In de theorie van de kwantumzwaartekracht wordt aangenomen dat ons universum (net als alle andere) werd geboren als resultaat van een willekeurige fluctuatie van het kwantumvacuüm - een globale macroscopische omgeving waarin geen tijd was. Elke keer dat een fluctuatie van een bepaalde grootte in een kwantumvacuüm verschijnt, wordt een nieuw heelal geboren. Het “vertakt” zich van de homogene omgeving waarin het werd gevormd en begint zijn eigen leven. Nu heeft ze haar eigen geschiedenis, haar eigen ruimte, haar eigen tijd, haar eigen tijdpijl.
In de moderne natuurkunde zijn een aantal theorieën bedacht die laten zien hoe vanuit een eeuwig bestaande omgeving, waar geen macro-tijd is, maar op sommige punten waarvan de microtijd stroomt, zo'n enorme wereld als de onze kan ontstaan.
Zo suggereren natuurkundigen Gabriele Veneziano en Maurizio Gasperini uit Italië, in het kader van de snaartheorie, dat het zogenaamde "snaarvacuüm" oorspronkelijk bestond. Willekeurige kwantumfluctuaties erin leidden ertoe dat de energiedichtheid een kritische waarde bereikte, en dit veroorzaakte een lokale ineenstorting. Dat eindigde met de geboorte van ons universum vanuit een vacuüm.
In het kader van de theorie van de kwantumgeometrie toonden Abei Ashtekar en Martin Bojovald aan dat ruimte en tijd kunnen ontstaan uit meer primitieve fundamentele structuren, namelijk "spinnetwerken".
Eckhard Rebhan van de Universiteit van Düsseldorf en - onafhankelijk van hem - George Ellis en Roy Maartens van de Universiteit van Kaapstad ontwikkelen het idee van een "statisch universum", waarover Albert Einstein en de Britse astronoom Arthur Eddington al nagedacht hadden. In hun zoektocht om af te zien van de effecten van kwantumzwaartekracht, hebben Rebhan en zijn collega's een bolvormige ruimte uitgevonden in het midden van een eeuwige leegte (of, als je dat liever hebt, lege eeuwigheid), waar geen tijd is. Door enige instabiliteit ontwikkelt zich hier een inflatieproces, dat leidt tot een hete oerknal.
De genoemde modellen zijn natuurlijk speculatief, maar ze komen fundamenteel overeen met het moderne ontwikkelingsniveau van de fysica en de resultaten van astronomische waarnemingen van de afgelopen decennia. Eén ding is in ieder geval duidelijk. De oerknal was meer een gewone, natuurlijke gebeurtenis en niet de enige in zijn soort.
Zal dit soort theorie ons helpen begrijpen wat er vóór de oerknal had kunnen gebeuren? Als het universum werd geboren, wat bracht het dan voort? Waar verschijnt de "genetische afdruk" van zijn ouder in moderne theorieën over kosmologie? 2005 - Abei Ashtekar, bijvoorbeeld, maakte de resultaten van zijn nieuwe berekeningen openbaar (Tomasz Pavlovsky en Paramprit Singh hielpen ze te doen). Van hen was het duidelijk dat als de oorspronkelijke premissen correct zijn, er vóór de oerknal dezelfde ruimte-tijd bestond als na deze gebeurtenis. De fysica van ons universum, alsof in een spiegel, werd weerspiegeld in de fysica van de andere wereld. In deze berekeningen sneed de oerknal, als een spiegelscherm, door de eeuwigheid, naast het onverenigbare - de natuur en zijn weerspiegeling. En wat is authenticiteit hier, wat is een spook?
Het enige dat kan worden gezien "vanaf de andere kant van het spiegelglas" is dat het heelal op dat moment niet uitdreef, maar samentrok. De oerknal werd het punt van zijn ineenstorting. Op dit moment stopten ruimte en tijd even om weer te worden weerspiegeld - om door te gaan - om als een feniks op te stijgen in de wereld die we kennen, dat universum dat we afmeten met onze formules, codes en cijfers. Het universum heeft zichzelf letterlijk binnenstebuiten gekeerd, als een handschoen of een overhemd, en breidt zich sindsdien gestaag uit. De oerknal was volgens Ashtekar niet "de schepping van het hele universum uit het niets", maar was slechts een overgang van de ene dynamische vorm van eeuwigheid naar de andere. Misschien maakt het heelal een eindeloze reeks van "oerknallen" door, en deze tientallen miljarden (of wat dan ook) jaren die zijn afzonderlijke fasen scheiden, zijn slechts perioden van de "kosmische sinusoïde"volgens de wetten waarvan het universum leeft?
Aanbevolen om te bekijken: "Wie heeft het heelal geschapen? De oerknal - een belangrijke wetenschappelijke verklaring: alle argumenten"
A. Volkov