Filosofen discussiëren al duizenden jaren over de aard van "niets", "niets", "niets", "leegte", maar wat kan de moderne wetenschap hierover vertellen? Deze vraag zal worden beantwoord door Martin Rees, astronoom van de Royal Society en emeritus hoogleraar kosmologie en astrofysica aan de universiteit van Cambridge. Hij legt uit dat wanneer natuurkundigen 'niets' bespreken, ze lege ruimte (vacuüm) bedoelen. Het lijkt misschien heel gewoon, maar experimenten tonen aan dat lege ruimte niet echt leeg is - het bevat een mysterieuze energie die ons iets kan vertellen over het lot van het universum.
Een interview met Martin Rees gepresenteerd door The Conversation magazine.
Is lege ruimte hetzelfde als niets?
Lege ruimte lijkt ons niets. Naar analogie kan water voor de vissen "niets" lijken - het is het water dat overblijft als je al het andere verwijdert dat in de zee drijft. Op dezelfde manier blijkt lege ruimte in de praktijk best lastig te zijn.
We weten dat het universum erg leeg is. De gemiddelde dichtheid van de ruimte is ongeveer één atoom per tien kubieke meter - de omgeving is veel ijler dan welk vacuüm dan ook dat we op aarde kunnen krijgen. Maar zelfs als alle materie is verwijderd, heeft de ruimte een soort elasticiteit die (zoals onlangs bevestigd) ervoor zorgt dat zwaartekrachtgolven - de rimpelingen van de ruimte zelf - zich erdoorheen kunnen voortplanten. Bovendien leerden we dat er in de lege ruimte zelf een exotische vorm van energie is.
We leerden voor het eerst over deze vacuümenergie in de 20e eeuw met de komst van de kwantummechanica, die het gedrag van atomen en deeltjes op de kleinste schaal verklaart. Hieruit volgt dat lege ruimte bestaat uit een veld van fluctuaties in de achtergrondenergie - die leven geeft aan golven en virtuele deeltjes, die af en toe verschijnen en in het niets verdwijnen. Ze kunnen zelfs een kleine kracht creëren. Maar hoe zit het met witruimte op grote schaal?
Dat lege ruimte grootschalige kracht creëert, werd 20 jaar geleden ontdekt. Astronomen hebben ontdekt dat de uitdijing van het heelal versnelt. Dit was een verrassing. De expansie was al meer dan 50 jaar bekend, maar iedereen dacht dat de expansie zou vertragen vanwege de zwaartekracht die sterrenstelsels en andere structuren op elkaar uitoefenen. Dus het was voor iedereen een grote verrassing dat de vertraging als gevolg van de zwaartekracht werd gecompenseerd door iets dat de expansie "duwde". Het bleek dat er in de lege ruimte zelf energie zit die een soort afstoting creëert die zwaarder weegt dan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht op deze grote schaal. Dit fenomeen - donkere energie - is de meest ongelooflijke manifestatie van het feit dat lege ruimte niet gerimpeld of leeg is. Verderdit feit bepaalt het verdere lot van ons universum.
Promotie video:
Is er een limiet aan wat we kunnen leren? Op een schaal van een triljoen triljoen keer kleiner dan een atoom, kunnen kwantumfluctuaties in ruimte-tijd niet alleen virtuele deeltjes voortbrengen, maar ook virtuele zwarte gaten. Dit is binnen de grenzen die we niet kunnen waarnemen en om te begrijpen welke, althans hypothetisch, we de zwaartekrachtstheorie moeten combineren met de kwantummechanica - en dit is ongelooflijk moeilijk.
Er zijn verschillende theorieën om dit te begrijpen, waarvan de bekendste de snaartheorie is. Maar geen van deze theorieën is nog gerelateerd aan de echte wereld - dus ze zijn nog steeds ongegrond. Ik denk dat bijna iedereen zal erkennen dat de ruimte zelf een complexe structuur heeft op een kleine schaal waar gravitatie- en kwantumeffecten samenkomen.
We weten dat ons universum drie ruimtelijke dimensies heeft: je kunt naar links en rechts, vooruit en achteruit, op en neer bewegen. Tijd is als de vierde dimensie. Er is echter een sterk vermoeden dat als je een klein puntje in de ruimte vergroot totdat je die kleine schaal voelt, je zult merken dat het een dicht samengeperste origami zal zijn met vijf extra dimensies die we niet kunnen zien. Alsof je van een afstand naar de slang keek en dacht dat het maar een lijn was. Als je dichterbij komt, zou je zien dat één dimensie in wezen drie is. Snaartheorie omvat complexe wiskunde - net als concurrerende theorieën. Maar dit is precies de theorie die we nodig hebben als we op het diepste niveau willen begrijpen wat het dichtst bij leegte ligt dat we ons kunnen voorstellen: lege ruimte natuurlijk.
Hoe kunnen we met ons huidige begrip verklaren dat ons hele universum uit het niets uitbreidt? Zou het echt begonnen kunnen zijn met een kleine fluctuatie in de energie van het vacuüm?
Sommige mysterieuze overgangen of fluctuaties konden er plotseling toe leiden dat een deel van de ruimte begon uit te breiden, zoals sommige theoretici geloven. De fluctuaties die inherent zijn aan de kwantumtheorie zouden het hele universum kunnen doen schudden als het zou worden gecomprimeerd tot een voldoende kleine schaal. Dit had moeten gebeuren in ongeveer 10 (tot de -44) seconden - dit is Planck-tijd. Op deze weegschaal zijn tijd en ruimte met elkaar verweven, dus het idee van een tikkende klok heeft geen zin. We kunnen ons heelal met een hoge mate van zekerheid extrapoleren tot op de nanoseconde en met een grote waarschijnlijkheid zullen we dichter bij de Planck-tijd terugkeren. Maar daarna zijn onze gissingen niet langer geldig - fysica op deze schaal wordt vervangen door een andere, meer complexe theorie.
Als het zou kunnen zijn dat een fluctuatie in een willekeurig deel van de lege ruimte het universum tot leven heeft gewekt, waarom kan hetzelfde dan niet gebeuren met een ander deel van de lege ruimte - en leven geven aan parallelle universums in een oneindig multiversum?
Het idee dat onze oerknal niet de enige is, en dat wat we door onze telescopen zien een klein stukje fysieke realiteit is, is behoorlijk populair onder natuurkundigen. En er zijn veel versies van het cyclische universum. Nog maar 50 jaar geleden kwamen er sterke aanwijzingen dat de oerknal zelfs plaatsvond. Maar sindsdien zijn er speculaties dat hij alleen een episode in een cyclisch universum zou kunnen zijn. Er is ook een tendens om te begrijpen dat de fysieke realiteit veel meer is dan het volume van ruimte en tijd dat we kunnen voelen, zelfs met de krachtigste telescopen.
Daarom hebben we geen idee of er één Big Bang was of dat er veel waren - er zijn scenario's die veel Big Bangs voorspellen en scenario's die er één voorspellen. Ik denk dat we ze allemaal moeten bestuderen.
Wat is het einde van het universum?
De eenvoudigste voorspelling voor de verre toekomst is dat het universum steeds sneller zal blijven uitbreiden, kouder en leegger zal worden. Deeltjes erin kunnen uiteenvallen en eindeloos oplossen in leegte. We bevinden ons misschien in een enorme hoeveelheid ruimte, maar het zal nog meer leeg zijn dan de ruimte nu is. Dit is een van de scenario's. Anderen voorspellen een "omkering" van de richting van donkere energie, van afstoting naar aantrekking, waardoor we samengedrukt worden tot een dicht punt.
Er is ook het idee van Roger Penrose dat het universum zal blijven uitdijen en steeds meer zal verdunnen, maar op de een of andere manier - wanneer het alleen fotonen, lichtdeeltjes bevat - zullen de objecten erin opnieuw worden gekalibreerd en zal de ruimte op de een of andere manier een generator worden van een nieuwe oerknal. … Dit wordt een heel exotische versie van het oude cyclische universum - maar vraag me alstublieft niet om Penrose's ideeën uit te leggen.
Hoe zeker bent u dat de wetenschap op een dag het mysterie zal ontdekken van wat dit "niets" is? Zelfs als we zouden kunnen bewijzen dat het universum voortkwam uit een vreemde fluctuatie in een vacuümveld, zouden we ons dan niet moeten afvragen waar dit vacuümveld vandaan kwam?
De wetenschap probeert antwoorden te geven, maar elke keer dat we ze vinden, komen er nieuwe vragen op - we zullen nooit het volledige plaatje hebben. Toen ik eind jaren zestig met onderzoek begon, waren er twijfels of er überhaupt een oerknal was. Nu bestaat er geen twijfel meer en kunnen we met een nauwkeurigheid van ongeveer 2% zeggen dat het universum 13,8 miljard jaar hetzelfde was, tot de allereerste nanoseconde. Dit is een grote vooruitgang. Het is belachelijk optimistisch te geloven dat we in de komende 50 jaar de moeilijke vragen zullen oplossen over wat er gebeurt in het kwantum- of "inflatoire" -tijdperk.
Maar er rijst natuurlijk een andere vraag: hoeveel wetenschap zal voor het menselijk brein begrijpelijk zijn? Het kan zijn dat de wiskunde van de snaartheorie in zekere zin een correcte beschrijving van de werkelijkheid is, maar we kunnen haar nooit goed genoeg begrijpen om haar te toetsen aan een echte waarneming. Dan zullen we misschien moeten wachten tot er een aantal post-mensen verschijnen om een beter begrip te krijgen.
Ilya Khel
