Sinds het einde van de jaren twintig weten astronomen dat het heelal in een staat van expansie verkeert. Aanvankelijk voorspeld door Einstein's Theory of General Relativity, is dit besef doorgegaan met het informeren van het meest algemeen aanvaarde kosmologische model - de Big Bang Theory. De zaken werden echter enigszins verwarrend in de jaren negentig, toen uit verbeterde waarnemingen bleek dat de uitdijingssnelheid van het universum al miljarden jaren versnelt.
Dit leidde tot de theorie van Dark Energy, een mysterieuze onzichtbare kracht die de uitbreiding van de kosmos aandrijft. Net zoals Dark Matter die de "ontbrekende massa" verklaarde, werd het toen nodig om deze ongrijpbare energie te vinden, of er op zijn minst een coherent theoretisch kader voor te bieden. Een nieuwe studie van de University of British Columbia (UBC) probeert precies dat te doen door het universum te postuleren, dat toeneemt als gevolg van schommelingen in ruimte en tijd.
De studie - die onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordeling D - werd geleid door Qingdi Wang, een promovendus bij de afdeling Fysica en Astronomie van UBC. Onder supervisie van UBC-professor William Unruh (de man die het Unruh-effect voorstelde) en met hulp van Zhen Zhu (een andere promovendus bij UBC), bieden ze een nieuwe kijk op Dark Energy.
Het team begon met het bespreken van de inconsistenties die voortkomen uit de twee belangrijkste theorieën die samen alle natuurlijke verschijnselen in het universum verklaren. Deze theorieën zijn niemand minder dan algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica, die effectief verklaren hoe het heelal zich gedraagt op de grootste schaal (d.w.z. sterren, sterrenstelsels, clusters) en de kleinste (subatomaire deeltjes).
Helaas zijn deze twee theorieën niet consistent als het gaat om een materie die bekend staat als zwaartekracht, die wetenschappers nog steeds niet kunnen verklaren in termen van kwantummechanica. Het bestaan van donkere energie en de uitbreiding van het universum zijn een ander punt van onenigheid. Om te beginnen vertonen kandidaatentheorieën zoals vacuümenergie - wat een van de meest populaire verklaringen is voor donkere energie - ernstige tegenstrijdigheden.
Volgens kwantummechanica zou vacuümenergie een ongelooflijk grote energiedichtheid hebben. Maar als dit waar is, voorspelt General Relativity dat deze energie een ongelooflijk sterk zwaartekrachtseffect zou hebben, een effect dat krachtig genoeg zou zijn om het heelal in omvang te laten exploderen. Zoals Prof. Unruh via e-mail met Space Magazine heeft gedeeld:
“Het probleem is dat elke naïeve berekening van de vacuümenergie enorme waarden oplevert. Als men aanneemt dat er een soort afsnijding is, kan men geen energiedichtheden krijgen die veel groter zijn dan de Planck-energiedichtheid (of ongeveer 1095 Joule / meter³) dan merkt men dat men een Hubble-constante krijgt - de tijdschaal waarop het heelal ongeveer in omvang verdubbelt - in de orde van 10-44 sec. Dus de gebruikelijke benadering is om te zeggen dat iets dat op de een of andere manier vermindert, zodat men in plaats daarvan de werkelijke expansie van ongeveer 10 miljard jaar krijgt. Maar dat ‘op de een of andere manier’ is behoorlijk mysterieus en niemand heeft een half overtuigend mechanisme bedacht. "
Terwijl andere wetenschappers hebben getracht de theorieën van algemene relativiteit en kwantummechanica te wijzigen om deze inconsistenties op te lossen, zochten Wang en zijn collega's een andere aanpak. Zoals Wang via e-mail aan Space Magazine uitlegde:
“Eerdere studies proberen de kwantummechanica op een of andere manier te wijzigen om de vacuümenergie klein te maken, of proberen de algemene relativiteit op een of andere manier te wijzigen om de zwaartekracht te verdoven voor vacuümenergie. Kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie zijn echter de twee meest succesvolle theorieën die verklaren hoe ons universum werkt ... In plaats van te proberen de kwantummechanica of algemene relativiteitstheorie aan te passen, vinden we dat we ze eerst beter moeten begrijpen. We nemen de grote vacuüm-energiedichtheid die door de kwantummechanica wordt voorspeld serieus en laten ze gewoon zweven volgens de algemene relativiteitstheorie zonder een van beide te wijzigen. ”
Omwille van hun studie voerden Wang en zijn collega's nieuwe reeksen berekeningen uit op vacuümenergie waarbij rekening werd gehouden met de voorspelde hoge energiedichtheid. Vervolgens overwogen ze de mogelijkheid dat op de kleinste schaal - miljarden keren kleiner dan elektronen - het weefsel van de ruimtetijd onderhevig is aan wilde fluctuaties, die oscilleren op elk punt tussen uitzetting en contractie.
Terwijl het heen en weer zwaait, is het resultaat van deze oscillaties een netto-effect waarbij het heelal langzaam uitzet, maar in een versneld tempo. Na het uitvoeren van hun berekeningen merkten ze op dat een dergelijke verklaring consistent was met zowel het bestaan van kwantumvacuüm energiedichtheid als algemene relativiteitstheorie. Bovendien is het ook consistent met wat wetenschappers al bijna een eeuw in ons universum observeren. Zoals Unruh het beschreef:
“Onze berekeningen lieten zien dat men consequent kon beschouwen [dat] het heelal op de kleinste schaal feitelijk in een absurd snel tempo uitzet en krimpt; maar dat op een grote schaal, door een gemiddelde over die kleine schalen, de natuurkunde dat ‘kwantumschuim’ niet zou opmerken. Het heeft een klein residuaal effect bij het geven van een effectieve kosmologische constante (effect van het type donkere energie). In sommige opzichten is het als golven op de oceaan die reizen alsof de oceaan perfect glad is, maar we weten echt dat er een ongelooflijke dans van de atomen is die het water vormen, en golven gemiddeld over die fluctuaties, en handelen alsof de oppervlak was glad. "
In tegenstelling tot tegenstrijdige theorieën over een heelal waar de verschillende krachten die het besturen niet kunnen worden opgelost en elkaar moeten opheffen, geven Wang en zijn collega's een beeld waar het heelal constant in beweging is. In dit scenario zijn de effecten van vacuümenergie in feite zelf-annulerend, en veroorzaken ze ook de uitdijing en versnelling die we al die tijd waarnemen.
Hoewel het misschien te vroeg is om te zeggen, kan dit beeld van een universum dat zeer dynamisch is (zelfs op de kleinste schaal) een revolutie teweegbrengen in ons begrip van ruimtetijd. Deze theoretische bevindingen zullen op zijn minst zeker het debat binnen de wetenschappelijke gemeenschap stimuleren, evenals experimenten die bedoeld zijn om direct bewijs te leveren. En dat is, zoals we weten, de enige manier om ons begrip van dit ding dat bekend staat als het heelal te bevorderen.
