Theoretisch natuurkundigen en kosmologen moeten antwoorden zoeken op de meest fundamentele vragen: "Waarom zijn we hier?", "Wanneer verscheen het heelal?" en "Hoe is dit gebeurd?" Ondanks het voor de hand liggende belang van het vinden van antwoorden op deze vragen, is er een vraag die alle vragen overschaduwt: "Wat gebeurde er vóór de oerknal?"
Laten we eerlijk zijn: we kunnen deze vraag niet beantwoorden. Niemand kan. Maar niemand verbiedt tenslotte speculatie over dit onderwerp en het overwegen van verschillende interessante veronderstellingen? Sean Carroll van het California Institute of Technology is het daar bijvoorbeeld mee eens. Vorige maand woonde Carroll een tweejaarlijkse bijeenkomst bij van de American Astronomical Society, waar hij verschillende "pre-explosieve" scenario's voorstelde, waarvan het "slotakkoord" de opkomst van ons universum zou kunnen zijn. Nogmaals, dit is slechts speculatie, geen theorie, dus houd hier alstublieft rekening mee.
“Destijds waren de natuurwetten waarvan we weten dat ze zogezegd nog niet van kracht waren, want“toen”bestonden ze nog niet”, zegt Carroll.
“Als natuurkundigen zeggen dat ze geen idee hebben wat er toen is gebeurd, zeggen ze dat in alle ernst. Dit segment van de geschiedenis bevindt zich in absoluut ondoordringbare duisternis”, beaamt Peter Voight, theoretisch fysicus aan de Columbia University.
Een van de vreemdste eigenschappen van ons universum is dat het een zeer lage entropie heeft. Deze term kent veel interpretaties, maar in dit geval hebben we het over de mate van wanorde. En in het geval van het heelal zit er meer orde in dan wanorde. Stel je een bom voor gevuld met zand. De bom ontploft en de miljarden miljarden zandkorrels die erin zitten, verspreiden zich in verschillende richtingen - in feite staat voor je een model van de oerknal.
"Alleen in plaats van de verwachte chaotische verstrooiing, veranderen deze zandkorrels, die de materie van ons universum vertegenwoordigen, onmiddellijk in vele kant-en-klare" zandkastelen ", onduidelijk gevormd hoe en zonder hulp van buitenaf", zegt Stephen Countryman, afgestudeerde student aan Columbia University.
Het resultaat van de oerknal zou (en had misschien ook moeten zijn) het ontstaan van een hoog niveau van entropie van massa in de vorm van ongelijkmatig verdeelde materie. In plaats daarvan zien we sterrenstelsels, sterrenstelsels en hele clusters van sterrenstelsels met elkaar verbonden. We zien orde.
Bovendien is het belangrijk om te begrijpen dat entropie, of wanorde, alleen maar kan toenemen in de tijd - hetzelfde zandkasteel, vroeg of laat en zonder hulp van buitenaf, valt opnieuw uiteen in vele zandkorrels. Bovendien, zoals Carroll opmerkt, houdt onze waarneming van tijd rechtstreeks verband met het niveau van entropie sinds het begin van het universum. Tegelijkertijd kan de entropie zelf worden beschouwd als een soort tijdsafhankelijke fysieke eigenschap met slechts één bewegingsrichting - naar de toekomst.
Promotie video:
Dus, entropie, volgens de wetten van de fysica, kan alleen maar toenemen, maar het huidige niveau in het heelal is erg laag. Volgens Carroll kan dit maar één ding betekenen: het vroege universum had een nog lager niveau, dat wil zeggen dat het universum nog meer georganiseerd en geordend had moeten zijn. En dit kan op zijn beurt aanleiding geven tot het idee van wat er in feite met ons universum is gebeurd vóór de oerknal zelf.
“Er zijn veel mensen die geloven dat het vroege universum een heel eenvoudig, oninteressant en uitdrukkingsloos systeem was. Maar zodra je entropie aan deze vraag koppelt, verandert het perspectief onmiddellijk en realiseer je je dat er in dit geval dingen moeten worden uitgelegd,”vervolgt Carroll.
Zelfs als we entropie opzij zetten, zullen we nog andere, even belangrijke aspecten hebben die op de een of andere manier moeten worden aangepast aan ons huidige universum waarin we leven. Bovendien lijkt in sommige gevallen een laag niveau van entropie minder significant dan in andere. Daarom zullen we proberen de drie meest populaire aannames te overwegen over wat er vóór de oerknal met het heelal had kunnen gebeuren.
Het Big Rebound-model
Volgens een van de hypothesen is het lage niveau van entropie van ons universum te wijten aan het feit dat het uiterlijk zelf het resultaat was van het uiteenvallen van een 'vorig' universum. Deze hypothese zegt dat ons universum gevormd zou kunnen zijn als resultaat van een snelle compressie ("bounce"), aangedreven door complexe effecten van kwantumzwaartekracht (singulariteit), die op zijn beurt aanleiding gaf tot de oerknal. Dit kan op zijn beurt erop wijzen dat we met evenveel succes kunnen leven, zowel op elk punt in de oneindige reeks van opkomende universums als, omgekeerd, in de "eerste iteratie" van het universum.
Dit hypothetische model van de opkomst van het heelal wordt ook wel het "Big Bounce" -model genoemd. De eerste vermelding van deze term klinkt al in de jaren 60, maar dit model veranderde pas in de jaren 80 - begin jaren 90 in een min of meer gevormde hypothese.
Van de minder belangrijke controversiële punten heeft het Big Bounce-model ook duidelijke tekortkomingen. Het idee van ineenstorten tot een singulariteit is bijvoorbeeld in tegenspraak met Einsteins algemene relativiteitstheorie - de regels waarmee de zwaartekracht werkt. Natuurkundigen geloven dat het singulariteitseffect kan bestaan in zwarte gaten, maar de fysische wetten die we kennen, kunnen ons geen mechanisme verschaffen om te verklaren waarom "een ander universum", dat de singulariteit heeft bereikt, aanleiding zou moeten geven tot de oerknal.
"Er is niets in de algemene relativiteitstheorie dat duidt op een" sprong "van het nieuwe universum als gevolg van de singulariteit", zegt Sean Carroll.
Dit is echter niet het enige grote controversiële punt. Het feit is dat het Big Bounce-model de aanwezigheid van een rechtlijnig tijdsverloop impliceert met afnemende entropie, maar zoals hierboven vermeld, neemt de entropie alleen maar toe met de tijd. Met andere woorden, volgens de wetten van de natuurkunde die we kennen, is het verschijnen van een stuiterend universum onmogelijk.
Verdere ontwikkeling van het model leidde tot de opkomst van een hypothese dat tijd in het heelal cyclisch kan zijn. Maar tegelijkertijd kan het model nog steeds niet verklaren hoe de huidige uitdijing van het heelal zal worden vervangen door zijn contractie. Toch hoeft dit niet te betekenen dat het Big Bounce-patroon helemaal verkeerd is. Het is mogelijk dat onze huidige theorieën erover simpelweg onvolmaakt zijn en niet volledig doordacht. De natuurkundige wetten die we nu hebben, zijn immers afgeleid van de limiet volgens welke we het universum kunnen observeren.
Het model van het Sleeping Universe
"Misschien was het universum vóór de oerknal een zeer compacte, langzaam evoluerende statische ruimte", theoretiseren natuurkundigen als Kurt Hinterbichler, Austin Joyce en Justin Khoury.
Dit "pre-explosieve" universum moest een metastabiele toestand hebben, dat wil zeggen, stabiel zijn totdat er een nog stabielere toestand verscheen. Stel je naar analogie een klif voor, aan de rand waarvan een rotsblok in een staat van trilling is. Elk contact met het rotsblok zal ertoe leiden dat het in de afgrond valt of - wat dichter bij ons geval staat - een oerknal. Volgens sommige theorieën zou het "pre-explosieve" universum in een andere vorm kunnen bestaan, bijvoorbeeld in de vorm van een afgeplatte en zeer dichte ruimte. Als resultaat kwam er een einde aan deze metastabiele periode: het breidde zich dramatisch uit en kreeg de vorm en staat van wat we nu zien.
"Het model van het slapende universum heeft echter ook zijn problemen", zegt Carroll.
"Het veronderstelt ook dat ons universum een lage entropie heeft en verklaart niet waarom dit zo is."
Hinterbichler, een theoretisch fysicus aan de Case Western Reserve University, ziet de opkomst van lage entropie echter niet als een probleem.
“We zijn alleen op zoek naar een verklaring voor de dynamiek die plaatsvond vóór de oerknal, wat verklaart waarom we zien wat we nu zien. Tot dusverre is dit het enige wat ons nog rest”, zegt Hinterbichler.
Carroll gelooft echter dat er een andere theorie is van een "pre-explosief" universum die het lage niveau van entropie in ons universum kan verklaren.
Het multiversum-model
De opkomst van nieuwe universums uit het 'ouderuniversum'
Het hypothetische multiversum-model vermijdt de entropie-afnemende terughoudendheid van het Big Bounce-model en biedt een verklaring voor het lage niveau van vandaag, zegt Carroll. Het komt voort uit het idee van "inflatie" - een algemeen aanvaard maar onvolledig model van het universum. De term "inflatie" en de eerste verklaring voor dit model werd in 1981 voorgesteld door de fysicus Alan Guth, momenteel verbonden aan het Massachusetts Institute of Technology. Volgens dit model is de ruimte na de oerknal enorm uitgebreid. Zo dramatisch dat de snelheid van deze uitbreiding hoger was dan de lichtsnelheid. Volgens de kwantummechanica treden in de ruimte voortdurend willekeurige, subtiele fluctuaties van energie op. Op een bepaald punt in de inflatieperiode bereikten de pieken van deze fluctuaties hun maximum en veroorzaakten ze sterrenstelsels,holtes en grootschalige structuren met lage entropie die we tegenwoordig in het heelal waarnemen.
Het inflatoire model zelf is ontwikkeld op basis van waarnemingen van kosmische microgolfachtergrondstraling - het oudste type straling dat slechts een paar honderdduizend jaar na de oerknal verscheen. Wetenschappers geloven dat het inflatoire model het bestaan ervan perfect voorspelt.
Een hypothese is dat het multiversum mogelijk het resultaat is van inflatie. De veronderstelling zegt dat er één heel, heel groot universum is, dat van tijd tot tijd compactere universums voortbrengt. Bovendien is er geen enkele vorm van communicatie tussen deze universums mogelijk. Markus Wu van PBS Nova legt uit:
“In het begin van de jaren 80 kwamen natuurkundigen tot de conclusie dat inflatie de aard van oneindigheid kan hebben en alleen in sommige delen van de ruimte stopt, waardoor er een soort gesloten 'zakken' ontstaan. Tussen deze "zakken" gaat het opblazen echter door, en het stroomt sneller dan de lichtsnelheid. Afgezonderd van elkaar worden 'zakken' op hun beurt uiteindelijk universums. '
Carroll is het meest onder de indruk van dit model, hoewel zijn eigen voorgestelde model enigszins verschilt van wat hierboven is beschreven:
"Dit is slechts één versie van de multiversumtheorie, maar het belangrijkste verschil hier is dat het 'bovenliggende universum' een hoog niveau van entropie kan hebben en universums met een laag niveau van entropie kan voortbrengen", zegt Carroll.
Volgens dit model was er vóór de oerknal een soort grote zich uitbreidende ruimte waaruit onze en een oneindig aantal andere universums werden geboren. Andere universums zijn buiten ons vermogen om ze te detecteren en hadden zowel voor als na ons universum kunnen ontstaan.
Opgemerkt moet worden dat dit op dit moment een van de meest populaire modellen is. Niettemin zien wetenschappers het natuurlijk anders. Sommigen steunen dit idee, anderen daarentegen zijn het er helemaal niet mee eens. Maar als we Peter Voight van Columbia University als voorbeeld nemen, dan kan de theorie van het Multiversum, hoewel het er vanuit populair wetenschappelijk oogpunt erg aantrekkelijk uitziet, natuurkundigen lui maken en ervoor zorgen dat ze niet meer zoeken naar antwoorden op de meest fundamentele vragen, bijvoorbeeld waarom zijn er fysieke constanten in ons universum? precies zoals ze zijn - alle variabiliteit afschrijven.
"Theoretici speculeren over de mogelijkheid van een oneindig aantal universums, en uiteindelijk kunnen we met duidelijke modellen komen die kunnen verklaren waarom waarden (zoals de fundamentele eigenschappen van de deeltjes die we waarnemen) van elkaar kunnen verschillen in elk afzonderlijk universum", zegt Voight …
Voight vreest dat op een dag de belangrijkste vraag voor de wetenschap op dit gebied de redenering zal zijn over het onderwerp 'wat een geluk hebben we om in dit willekeurige universum te zijn, waar alles op deze manier gebeurt, en niet anders, ondanks de oneindige verscheidenheid aan mogelijkheden, dus laten we deze onderneming met theorieën opgeven..
Wat kan worden samengevat? Veel natuurkundigen worden betaald voor het argumenteren en het schrijven van boeken waarin ze proberen te beschrijven hoe de oerknal en het model van het "pre-explosieve" universum kunnen verklaren wat we vandaag zien, hoewel ze het zelf niet weten en ook echt niet kunnen weten. waarom is het zo. Het is een feit dat, ook al zijn er serieuze vereenvoudigingen in zowel wiskundige modellen als verklaringen, we nog niet in de buurt van het juiste antwoord zijn gekomen en we hebben nog steeds veel redenering over dit onderwerp totdat we tot het gewenste resultaat komen.
“Het is niet alleen belangrijk om theorieën en hypothesen naar voren te brengen. Het is veel belangrijker om mensen duidelijk te maken dat we eigenlijk zelf nog niet begrijpen waar we het over hebben. Dit alles is alleen op het niveau van de aannames, maar ik hoop dat we vroeg of laat het juiste antwoord kunnen vinden dat voor iedereen geschikt is”, zegt Carroll.
NIKOLAY KHIZHNYAK