Het heelal dijt versneld uit, maar we weten eigenlijk niet precies hoe en waarom. Mogelijk hebben zogeheten quantumfluctuaties er iets mee te maken. Die kunnen elk punt in de ruimte afwisselend laten groeien en krimpen, wat een soort kolkend schuim oplevert dat continu uitzet.
Dit exotische idee is – op zijn zachtst gezegd – een nogal complexe oplossing voor wat fysici de ‘vacuümcatastrofe’ noemen. Bij dat probleem staat een van de meest controversiële getallen in de natuurkunde centraal: de kosmologische constante. Deze constante beschrijft de energie die opgesloten zit in het vacuüm van de ruimte.
De meeste theorieën voorspellen dat de kosmologische constante een waarde heeft die tot wel 120 ordes van grootte hoger is dan de waarde die blijkt uit daadwerkelijke observaties van de uitdijing van de ruimte. De berekeningen wijken zelfs zo erg af, dat ze het predicaat ‘slechtste voorspelling in de geschiedenis van de fysica’ opgespeld hebben gekregen.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Qingdi Wang en William Unruh van de University of British Columbia in Canada hebben nu een hypothese geformuleerd die de catastrofe een halt moet toeroepen – een manier om de kosmologische constante in de theorie net zo laag te krijgen als die in de praktijk lijkt te zijn.
Microcyclisch universum
Berekeningen van de kosmologische constante zijn voor een belangrijk deel gebaseerd op één veronderstelling: dat het heelal op zeer grote schaal uniform is. De hypothese van Wang en Unruh gaat ervan uit dat kleine stukjes heelal, ondanks die uniformiteit, op de schaal van de quantumfysica wel degelijk van elkaar kunnen verschillen.
‘Stel je een vel papier voor dat je verkreukelt en daarna weer gladstrijkt. Als je op kleine schaal naar het resultaat kijkt, dan zie je overal kleine kreukels’, zegt Steve Carlip van de University of California. ‘Maar als je het in zijn geheel bekijkt, dan is het velletje praktisch helemaal plat.’
In het model van Wang en Unruh fluctueert de vacuümenergie voortdurend. Elk punt in de ruimte zet afwisselend uit en krimpt weer samen. Het gedraagt zich, in de woorden van de onderzoekers, als een ‘microcyclisch universum’. Een kubieke centimeter ruimte zou 10100 van zulke universa bevatten, die allemaal ontstaan met een eigen oerknal en 10-40 seconden later alweer uitdoven met een omgekeerde oerknal, een ‘eindkrak’ (big crunch).
Uitmiddelende fluctuaties
De universa zouden zo klein en kortlevend zijn, dat een directe waarneming ervan er hoogstwaarschijnlijk niet in zit, zegt Carlip. Unruh beeldt zich een situatie in waarbij je als mens krimpt tot onvoorstelbaar kleine proporties, en je naast een eveneens gekrompen stoel staat. ‘Het ene moment ben je honderd stappen van de stoel verwijderd, terwijl je er een oogwenk later direct naast staat’, zegt hij. ‘En terwijl dit gaande is, groeit en krimpt je lichaam ook nog eens de hele tijd.’
Over het geheel genomen beweeg je echter steeds verder van je minuscule stoel vandaan. De onderzoekers rekenden namelijk uit dat het ‘gestuiter’ dat optreedt wanneer de punten in de ruimte overschakelen van samentrekken naar uitzetten ervoor zorgt dat het uitzetten net een beetje wint van het samentrekken.
Vergelijk het met een kind op een schommel: als die op het juiste moment de benen vooruit schopt, dan gaat de schommel steeds hoger en hoger. In dit geval verzorgt de vacuümenergie de ‘schopbeweging’ en is de omvang van de ‘micro-universa’, die met elke overgang van klein naar groot een beetje toeneemt, vergelijkbaar met de steeds iets hoger gaande schommel.
Het resultaat is dat hoewel de ‘micro-universa’ uitzetten en samentrekken, het heelal als geheel uitzet. Op de schaal waarop wij leven, middelen de fluctuaties uit en krijg je het heelal zoals wij dat waarnemen: uniform en versneld uitdijend. De fluctuaties kolken ongezien onder het oppervlak, en de vacuümcatastrofe is afgewend.
Wilde ideeën
Unruh geeft toe dat het model met wat problemen kampt. Een daarvan heeft te maken met het moment dat tussen de kleine uitzettingen en inkrimpingen in zit. Het is onduidelijk wat er gebeurt wanneer je een klein volume aan ruimte fijnknijpt tot een singulariteit. En we weten ook nog niet of het model in lijn is met de algemene relativiteitstheorie – een harde voorwaarde als het model wil kloppen.
In dit stadium is het idee puur speculatief, gebaseerd op verschillende lagen aannamen en wiskunde in plaats van op observaties. Een aantal door de Britse redactie van New Scientist benaderde natuurkundigen wilde niet op het werk reageren. Maar Unruh denkt dat we de vacuümcatastrofe toch echt op een of andere manier bij de lurven moeten pakken.
‘Tot nu toe hebben we te maken gehad met een verdomd ingewikkeld probleem en geen enkel idee hoe we het op moeten lossen’, zegt Unruh. ‘Hier wordt het uitgelegd aan de hand van een mechanisme dat ons weliswaar opscheept met een hoop wiskundige moeilijkheden, maar dat ons in ieder geval goed gedefinieerde wiskundige problemen geeft waar we aan kunnen werken.’
‘Of dit het probleem van de kosmologische constante daadwerkelijk gaat oplossen, is denk ik eerder een kwestie van goede hoop dan van een aanwijsbaar resultaat’, zegt Carlip. ‘Maar de gebruikelijke theorie heeft tot nu toe alleen maar tot dingen geleid die overduidelijk onjuist zijn.’ Het is daarom tijd, zegt hij, om eens serieus te kijken naar meer wilde, speculatieve ideeën zoals die van Wang en Unruh.