Er is een fundamenteel probleem in de natuurkunde.
Een enkel getal, de kosmologische constante genoemd, overbrugt de microscopische wereld van de kwantummechanica en de macroscopische wereld van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Maar geen van beide theorieën kan het eens zijn over de waarde ervan.
In feite is er zo'n enorme discrepantie tussen de waargenomen waarde van deze constante en welke theorie voorspelt dat het algemeen wordt beschouwd als de slechtste voorspelling in de geschiedenis van de natuurkunde. Het oplossen van de discrepantie is misschien wel het belangrijkste doel van de theoretische natuurkunde deze eeuw.
Lucas Lombriser, assistent-professor theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Genève in Zwitserland, heeft een nieuwe manier geïntroduceerd om de zwaartekrachtsvergelijkingen van Albert Einstein te evalueren om een waarde voor de kosmologische constante te vinden die nauw overeenkomt met de waargenomen waarde. Hij publiceerde zijn methode online in het nummer van 10 oktober van het tijdschrift Physics Letters B.
Hoe Einsteins grootste blunder donkere energie werd
Het verhaal van de kosmologische constante begon meer dan een eeuw geleden toen Einstein een reeks vergelijkingen presenteerde, nu bekend als de Einstein-veldvergelijkingen, die het raamwerk van zijn algemene relativiteitstheorie werden. De vergelijkingen leggen uit hoe materie en energie het weefsel van ruimte en tijd vervormen om de zwaartekracht te creëren. Destijds waren zowel Einstein als astronomen het erover eens dat het heelal een vaste grootte had en dat de totale ruimte tussen sterrenstelsels niet veranderde. Toen Einstein echter de algemene relativiteitstheorie toepaste op het universum als geheel, voorspelde zijn theorie een onstabiel universum dat zich zou uitbreiden of krimpen. Om het universum statisch te maken, pakt Einstein de kosmologische constante aan.
Bijna tien jaar later ontdekte een andere natuurkundige, Edwin Hubble, dat ons universum niet statisch is, maar zich uitbreidt. Het licht van verre sterrenstelsels liet zien dat ze allemaal van elkaar weg bewogen. Deze openbaring overtuigde Einstein om de kosmologische constante uit zijn veldvergelijkingen te verwijderen omdat het niet langer nodig was om een uitdijend universum te verklaren. Volgens de kennis van de natuurkunde bekende Einstein later dat zijn introductie van de kosmologische constante misschien wel zijn grootste blunder was.
In 1998 toonden observaties van verre supernova's aan dat het universum niet alleen uitbreidde, maar ook versnelde. Sterrenstelsels versnelden van elkaar weg alsof een onbekende kracht de zwaartekracht overwon en die sterrenstelsels uit elkaar duwde. Natuurkundigen hebben dit raadselachtige fenomeen donkere energie genoemd, omdat de ware aard ervan een mysterie blijft.
In een ironische draai introduceerden natuurkundigen de kosmologische constante opnieuw in de veldvergelijkingen van Einstein om rekening te houden met donkere energie. In het huidige standaardmodel van de kosmologie, bekend als ΛCDM (Lambda CDM), is de kosmologische constante uitwisselbaar met donkere energie. Astronomen hebben de waarde zelfs geschat op basis van waarnemingen van verre supernova's en fluctuaties in de kosmische microgolfachtergrond. Hoewel de waarde absurd klein is (in de orde van grootte van 10 ^ -52 per vierkante meter), is hij over de schaal van het heelal significant genoeg om de versnelde uitdijing van de ruimte te verklaren.
'De kosmologische constante vormt momenteel ongeveer 70% van de energie-inhoud in ons universum, wat we kunnen afleiden uit de waargenomen versnelde expansie die ons universum momenteel ondergaat. Toch wordt deze constante niet begrepen', zei Lombriser. "Pogingen om het uit te leggen zijn mislukt, en er lijkt iets fundamenteels te zijn dat we missen in hoe we de kosmos begrijpen. Het ontrafelen van deze puzzel is een van de belangrijkste onderzoeksgebieden in de moderne fysica. Over het algemeen wordt verwacht dat het oplossen van het probleem kan leiden tot ons naar een meer fundamenteel begrip van de natuurkunde. "
De slechtste theoretische voorspelling in de geschiedenis van de natuurkunde
Aangenomen wordt dat de kosmologische constante representeert wat natuurkundigen 'vacuümenergie' noemen. Quantumveldentheorie stelt dat zelfs in een volledig leeg vacuüm van de ruimte virtuele deeltjes in en uit het bestaan springen en energie creëren - een schijnbaar absurd idee, maar een experimenteel waargenomen. Het probleem doet zich voor wanneer natuurkundigen proberen hun bijdrage aan de kosmologische constante te berekenen. Hun resultaat verschilt van waarnemingen met een verbijsterende factor van 10 ^ 121 (dat is 10 gevolgd door 120 nullen), de grootste discrepantie tussen theorie en experiment in de hele natuurkunde.
Door zo'n ongelijkheid zijn sommige natuurkundigen gaan twijfelen aan Einsteins oorspronkelijke vergelijkingen van zwaartekracht; sommigen hebben zelfs alternatieve zwaartekrachtmodellen voorgesteld. Verder bewijs van gravitatiegolven door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) heeft de algemene relativiteit echter alleen maar versterkt en veel van deze alternatieve theorieën afgewezen. Daarom nam Lombriser, in plaats van de zwaartekracht te heroverwegen, een andere aanpak om deze kosmische puzzel op te lossen.
'Het mechanisme dat ik voorstel, verandert Einsteins veldvergelijkingen niet', zei Lombriser. In plaats daarvan "voegt het een extra vergelijking toe bovenop de veldvergelijkingen van Einstein."
De zwaartekrachtconstante, die voor het eerst werd gebruikt in de zwaartekrachtswetten van Isaac Newton en nu een essentieel onderdeel is van de veldvergelijkingen van Einstein, beschrijft de omvang van de zwaartekracht tussen objecten. Het wordt beschouwd als een van de fundamentele constanten van de natuurkunde, sinds het begin van het universum voor altijd onveranderd. Lombriser heeft de dramatische veronderstelling gemaakt dat deze constante kan veranderen.
In Lombriser's modificatie van de algemene relativiteitstheorie blijft de gravitatieconstante hetzelfde binnen ons waarneembare universum, maar kan daarbuiten variëren. Hij suggereert een multiversum-scenario waarbij er voor ons onzichtbare plekken in het universum zijn die verschillende waarden hebben voor de fundamentele constanten.
Deze variatie in zwaartekracht gaf Lombriser een extra vergelijking die de kosmologische constante relateert aan de gemiddelde som van materie over ruimte-tijd. Nadat hij rekening had gehouden met de geschatte massa van alle sterrenstelsels, sterren en donkere materie van het universum, kon hij die nieuwe vergelijking oplossen om een nieuwe waarde voor de kosmologische constante te krijgen - een die nauw overeenkomt met waarnemingen.
Met behulp van een nieuwe parameter, ΩΛ (omega lambda), die de fractie van het universum uit donkere materie uitdrukt, ontdekte hij dat het universum voor ongeveer 74% uit donkere energie bestaat. Dit aantal komt nauw overeen met de waarde van 68,5%, geschat op basis van waarnemingen - een enorme verbetering ten opzichte van de enorme ongelijkheid die is gevonden in de kwantumveldentheorie.
Hoewel het raamwerk van Lombriser het kosmologische constante probleem mogelijk oplost, is er momenteel geen manier om het te testen. Maar in de toekomst, als experimenten uit andere theorieën zijn vergelijkingen valideren, zou dit een grote sprong kunnen betekenen in ons begrip van donkere energie en een hulpmiddel kunnen bieden om andere kosmische mysteries op te lossen.
