Zoals iedereen weet, breidt het universum zich voortdurend uit. Maar velen realiseren zich niet eens dat het proces versnelt en dat natuurkundigen geen gezonde verklaring hebben voor dit fenomeen. Een groep theoretici suggereerde dat er een mysterieuze "donkere energie" bij betrokken is, en nu zullen we je in een toegankelijke vorm vertellen wat het is.
Al bijna twee decennia weten astronomen dat de uitdijing van het universum versnelt, alsof een mysterieuze "donkere energie" het van binnenuit opblaast, als een ballon. Deze energie blijft tegenwoordig een van de grootste mysteries in de natuurkunde. Nu beweren een drietal theoretici dat donkere energie uit een verbazingwekkende bron komt. Hoe griezelig het ook mag klinken, naar hun mening druist het in tegen de grondbeginselen van de natuurkunde die iedereen op school heeft geleerd: de hoeveelheid totale energie in het universum is niet vast en onveranderd, het kan geleidelijk verdwijnen.
Volgens wetenschappers kan donkere energie een speciaal veld zijn, een beetje zoals elektrisch, dat de ruimte vult. Aan de andere kant kan het deel uitmaken van de kosmos zelf, die de kosmologische constante wordt genoemd (anders de lambda-term). Het tweede scenario lijkt een aanfluiting van Einsteins relativiteitstheorie, die beweert dat zwaartekracht optreedt wanneer massa en energie ruimte en tijd buigen. In feite is de kosmologische constante ook een uitvinding van Einstein, en hij vond hem letterlijk uit door een constante aan zijn vergelijkingen toe te voegen om uit te leggen hoe het universum vernietiging door zijn eigen zwaartekracht weerstaat. Hij liet het idee echter varen toen astronomen in de jaren twintig ontdekten dat het universum niet statisch was maar zich uitbreidde, alsof het uit een explosie was ontstaan.
Bij nadere beschouwing werd het duidelijk dat de expansie van het universum versnelde, en de kosmologische constante keerde weer terug. Binnen het raamwerk van de kwantummechanica wordt het echter veel sluwer. De kwantummechanica gaat ervan uit dat het vacuüm zelf onmerkbaar moet oscilleren. In de algemene relativiteitstheorie produceren deze kleine kwantumfluctuaties energie die zal dienen als de kosmologische constante. Als alle andere dingen echter gelijk zijn, moet het 120 ordes van grootte groter zijn om het universum te vernietigen. Dus de verklaring waarom de kosmologische constante bestaat, maar in een zeer bescheiden vorm, is een groot mysterie voor natuurkundigen. Toen het nog niet nodig was, gingen natuurkundigen er eenvoudig van uit dat een tot nu toe onbekend effect het eenvoudig tot nul zou reduceren.
Thibault Josette en Alejandro Perez van de Universiteit van Aix-Marseille in Frankrijk en Daniel Sudarski van de Nationale Autonome Universiteit van Mexico in Mexico-Stad beweren dat ze een manier hebben gevonden om een redelijke waarde af te leiden voor de kosmologische constante. Ze begonnen met een versie van de algemene relativiteitstheorie, die Einstein zelf had uitgevonden, genaamd unimodulaire zwaartekracht. De algemene relativiteitstheorie gaat uit van wiskundige symmetrie, algemene covariantie, wat inhoudt dat, ongeacht hoe je de positie van een coördinaat in ruimte en tijd bepaalt, de theoretische voorspelling hetzelfde blijft. Deze symmetrie vereist behoud van energie en momentum. Unimodulaire zwaartekracht heeft een meer beperkte versie van deze wiskundige symmetrie.
Dit systeem reproduceert de meeste aannames van de algemene relativiteitstheorie. Volgens haar creëren kwantumfluctuaties van het vacuüm echter geen zwaartekracht of beïnvloeden ze de kosmologische constante (die tenslotte slechts een wiskundige constante is, en de waarde ervan kan van alles zijn). Maar dit heeft een prijs: unimodulaire zwaartekracht heeft geen energie nodig om te besparen, dus theoretici moeten het willekeurig beperken.
Een drietal wetenschappers heeft aangetoond dat unimodulaire zwaartekracht, indien geaccepteerd en toegestaan om de wet van behoud van energie en momentum te schenden, feitelijk de waarde van de aangegeven constante bepaalt. Het argument is wiskundig, maar in feite laat zelfs een klein deel van de energie die in het heelal verdwijnt een spoor achter in de vorm van een verandering in de kosmologische constante. "De donkere energie in ons model is precies het resultaat van hoeveel energie en momentum er verloren is gegaan in het universum gedurende zijn hele bestaan", zegt Perez.
Om te bewijzen dat hun theorie redelijk is en toepasbaar op de realiteit, hebben de wetenschappers twee scenario's overwogen over hoe schending van de wet van behoud van energie theoretisch de fundamentele problemen van de kwantummechanica zou beïnvloeden. De theorie van continue spontane lokalisatie (CSL) probeert bijvoorbeeld uit te leggen waarom subatomaire deeltjes zoals elektronen letterlijk op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn, maar zulke grote objecten als auto's of mensen niet. CSL gaat ervan uit dat dergelijke toestanden van materie spontaan ontstaan en uiteenvallen in afhankelijkheid, wat toeneemt naarmate het volume van een object toeneemt, wat betekent dat een groot object eenvoudigweg niet "dubbel" kan zijn onder de omstandigheden van de aarde. Tegen deze theorie staat het feit dat het geen rekening houdt met het behoud van energie. Theoretici hebben echter aangetoond dat de som van de schendingen van de bepalingen inzake energiebesparing precies zo is:om een kosmologische constante van de gewenste grootte te geven.
Promotie video:
Niettemin spelen theoretici volgens sommige wetenschappers gewoon met wiskunde. Ze moeten nog steeds aannemen dat de kosmologische constante begint met een kleine waarde, maar ze verklaren dit aspect niet. De moderne natuurkunde zit echter vol met onverklaarbare constanten, zoals de lading van een elektron of de lichtsnelheid, dus dit is gewoon een andere constante op een lange lijst.
