Het universum had een begin. Maar waar is het begonnen? Wat ben je in het begin geworden? We weten dat het allemaal begon met een vrij snelle expansie en eindigde met een groot aantal sterrenstelsels gemaakt van kleine deeltjes. Maar wat kwam daarvoor? Wat waren de natuurwetten toen het allemaal begon? Beroemde natuurkundigen James Hartl en Stephen Hawking boden tientallen jaren geleden verschillende antwoorden op deze vragen. Een nieuw werk van een andere groep natuurkundigen analyseerde de populaire interpretatie van de Big Bang-geometrie van Hawking en Hartle en kwam in de problemen. Deze resultaten werpen licht op het probleem van het begin van het universum. Een nieuw obstakel dat alle theorieën van de toekomst zullen moeten overwinnen.
"We probeerden een meer rigoureuze berekening uit te voeren en kregen een andere oplossing", zegt Job Feldbrügge, een residente afgestudeerde student aan het Perimeter Institute. "De theorie die we gebruiken, werpt nieuw licht op de bestaande theorie en laat zien dat deze misschien niet werkt zoals we hadden verwacht."
Wetenschappers proberen gewoonlijk het begin van het universum te begrijpen door te kijken naar de zwaartekrachtwetten van Einstein, de zogenaamde algemene relativiteitstheorie, en ze achterstevoren af te spelen. Ze willen tenslotte op het punt komen dat het universum erg klein was. Maar de meest interessante vragen rijzen over hoe het jonge universum eruit zag: was het klein genoeg om te gehoorzamen aan de wetten van de kwantummechanica, die de kleinste deeltjes, atomen en fotonen beheersen.
Er zijn verschillende manieren om een universum als het onze te beginnen. Misschien, dachten Hawking en Hartle, was dit gecondenseerde universum slechts één punt in de ruimte met een speciale kwantumtoestand, de zogenaamde golffunctie, die het allemaal beschrijft in de taal van de kwantummechanica. Toen kwam de tijd. Filosofie en religie moeten veel over dit onderwerp praten, maar wiskundigen hebben alleen pen en papier nodig. Dit puntuniversum ontwikkelde zich op basis van de wiskunde van de algemene relativiteitstheorie met de oorspronkelijke eigenschappen van de kwantummechanica ingebouwd in zijn structuur. Dus deze kleine willekeurige fluctuaties in energie in de ruimte zouden in de loop van snelle expansie - inflatie - veranderd moeten zijn in grootschalige dichtheidsverschillen die we waarnemen in het moderne universum, met sterrenstelsels en holtes. De theorie van Hawking en Hartle was een van de vele manieren om het begin van een universum te markeren zonder een singulariteit, een punt van nul volume en een oneindige massa die niet zo logisch was. Andere ideeën, zoals die door Alexander Vilenkin werden gesuggereerd, impliceerden deze aanvankelijke singulariteit niet.
Een nieuw artikel dat onlangs op de arXiv-preprint-server is verschenen, introduceert een probleem. Bij berekeningen in de wiskunde van Hawking, Hartles en Vilenkin kreeg het nieuwe team niet de kleine kwantumfluctuaties die nodig zijn om het universum van vandaag te creëren. In plaats daarvan zijn deze fluctuaties gigantisch en creëren ze een universum dat totaal anders is dan het onze.
"De berekeningen die we hebben gemaakt, leidden tot sterke zwaartekrachtgolven na de oerknal", zegt Feldbrugge - enorme fluctuaties in de vorm van de ruimtetijd zelf. “Het zou niet kunnen leiden tot een universum zoals het nu is. De berekeningen zijn in tegenspraak met wat we zien."
Hartl maakt zich niet echt zorgen over de resultaten van het team van Feldbrugge. "In de kosmologie hebben we nog steeds te weinig gegevens vergeleken met wat het had kunnen zijn", zegt hij. "Dus we doen ons best om het stuk theorie te ondersteunen dat het beste past bij onze observaties." Hij ziet het nieuwe werk als een nieuwe poging om het spel te veranderen door meer informatie en een ander wiskundig pad aan te bieden dat wetenschappers kunnen volgen. "Onderzoekers hebben het recht om te kiezen of ze dit idee of een ander willen nastreven."
Zijn team heeft onlangs ook een ander artikel gepubliceerd waarin hij zijn eigen wiskunde herzien en aantoont waarom zijn theorie nog steeds werkt.
Promotie video:
Toch lijken de wiskunde van Feldbrugge en zijn team te laten zien dat het gladde uiterlijk van een universum zonder enige singulariteit "geen optie" is. Hun wiskunde betwist Hartle en Hawking rechtstreeks.
Het koppelen van kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie om het begin van het universum te verklaren, is niet nieuw en ook niet bijna opgelost. In feite is dit een van de belangrijkste problemen die theoretisch natuurkundigen proberen op te lossen, gezien het belang ervan voor het begrijpen van de oorsprong van het universum, wanneer beide sets wetten op dezelfde schaal worden toegepast, en het belang voor zwarte gaten waarin de zwaartekracht zo sterk is dat licht kan haar niet verlaten.
Maar het belangrijkste is dat Feldbrugge niet gelooft dat een universum dat begint met de wetten van de kwantummechanica en relativiteitstheorie kleine fluctuaties zou kunnen veroorzaken die zouden leiden tot een universum als het onze - hij denkt dat er iets anders moet zijn. "Het is onduidelijk welke oplossing de laatste optie zal zijn", zegt hij.
De meningen van natuurkundigen over deze kwestie zijn heel verschillend. Paul Steinhardt, hoogleraar natuurkunde aan Princeton University, zegt dat er al alternatieve manieren zijn om problemen in een nieuwe baan te voorkomen, evenals andere klachten over het Hawking-Hartle-model. Dit zogenaamde oneindige model vereist een aantal wiskundige oplossingen om een universum als het onze te creëren.
“Wat is het alternatief? Een stuiter zonder singulariteit”, zegt hij, verwijzend naar een model dat hij aan het ontwikkelen is met de theoretisch kosmoloog Anna Idjas uit Princeton. Volgens dit model stort het universum in en ontvouwt het zich vervolgens in ons eigen universum, lang voordat men kan beginnen na te denken over de effecten van de kwantummechanica.
Sabine Hossenfelder, een research fellow aan het Frankfurt Institute for Advanced Study, is onzeker over de nieuwe resultaten. “Het enige dat ik kan concluderen is dat we niet wisten hoe het universum begon voordat dit werk werd geschreven. En dat wisten we niet nadat dit werk was gepubliceerd. Theoretici nemen wiskunde serieus en hebben deze berekeningen met tijd en ruimte uitgevoerd lang voordat telescopen ze zouden bevestigen. De enige manier om zeker te weten wat er aan de hand is, is door te experimenteren.
Tegenwoordig kunnen de meeste van deze theorieën worden bevestigd of weerlegd door observaties van het oudste licht dat tot ons is gekomen, de kosmische microgolfachtergrond. Wetenschappers hopen dat de inzichten uit hun theorieën zullen helpen om belangrijke handtekeningen uit deze gegevens te isoleren.
Is het mogelijk om het werk van Feldbrugge en zijn team te controleren? Ze zijn net begonnen. Het zal duidelijk lang duren om dit te controleren. Wetenschappers moeten uiteindelijk een universum creëren dat op het onze lijkt. Maar de details van dit proces zijn nog niet bepaald.
ILYA KHEL
