Credit: T. Thiemann (FAU Erlangen), Albert Einstein Institute, Milde Marketing Wissenschaftskommunikation, exozet effects
De moderne natuurkunde kan niet beschrijven wat tijdens de oerknal is gebeurd. Zowel de kwantumtheorie als de relativiteitstheorie verliezen hun geldigheid bij deze oneindig dichte en hete oerstaat van het universum. Slechts een allesomvattende theorie van kwantumzwaartekracht (die beide pilaren der natuurkunde met elkaar kan verenigen) zal ons inzichten kunnen verschaffen in het begin van het heelal.Wetenschappers van vooraanstaande instituten uit Duitsland en Canada hebben een belangrijke ontdekking gedaan, dat ons kan helpen om een geldige theorie van kwantumzwaartekracht te formuleren. Volgens hen bestaat het heelal uit kleine “bouwstenen”. Ze hebben deze bouwstenen gebruikt als startpunt, om uiteindelijk te arriveren bij één van de meest fundamentele wiskundige vergelijkingen in de kosmologie: de Friedmann-vergelijking, die het universum omschrijft. Dit laat zien dat kwantummechanica en relativiteit werkelijk met elkaar verenigd kunnen worden.De twee grote theorieën van de natuurkunde hebben een eeuw lang naast elkaar bestaan, maar zijn onverenigbaar. De relativiteitstheorie van Einstein beschrijft de zwaartekracht en dus het heelal op grote schaal, terwijl kwantummechanica het heelal op de kleinste schaal beschrijft, de wereld van de atomen en elementaire deeltjes. Beide theorieën werken uitstekend in hun eigen vakgebied, maar ze brokkelen af in bepaalde extreme gebieden, zoals op extreem korte afstanden (de zogenaamde Planckschaal). Ruimte en tijd hebben dus geen betekenis in zwarte gaten, of (belangrijker) tijdens de oerknal.Daniele Oriti van het Albert Einstein Instituut gebruikt een vloeistof om deze situatie te omschrijven. “We kunnen het gedrag van stromend water omschrijven met de klassieke theorie van de hydrodynamica. Maar als we “inzoomen” op een steeds kleinere schaal, totdat we uiteindelijk bij individuele atomen aankomen, dan verliest deze theorie z’n geldigheid. Op dat moment hebben we kwantummechanica nodig”. Net als een vloeistof uit atomen bestaat, zo denkt Oriti dat de ruimte uit kleine cellen of “ruimteatomen” bestaat – een nieuwe theorie is nodig om deze te beschrijven: kwantumzwaartekracht.
De ruimte is opgebroken in elementaire cellen
In Einstein’s relativiteitstheorie vormt de ruimte een continuüm. Oriti breekt deze ruimte op in kleine elementaire cellen en past hier vervolgens de kwantummechanica op toe – hierdoor kan de kwantumtheorie toegepast worden op de ruimte én op de relativiteitstheorie die de ruimte omschrijft. Dit is het idee van unificatie.Een fundamenteel probleem bij alle pogingen om tot een theorie van kwantumzwaartekracht te komen, is het overbruggen van het enorme verschil in schaal tussen ruimteatomen en de dimensies van het universum. Dit is nu precies het punt waar Oriti (en kornuiten) in geslaagd zijn. Hun aanpak is gebaseerd op de zogenaamde groepveldtheorie. Deze theorie is nauw verwant aan de lus-kwantumzwaartekracht die eerder beschouwd werd als veelbelovende unificatietheorie.De taak is nu om te beschrijven hoe de ruimte van het universum zich kan ontwikkelen vanuit de elementaire cellen. Om terug te komen op het idee van vloeistoffen: hoe kan de hydrodynamica van stromend water afgeleid worden vanuit een theorie van atomen?Deze extreem veeleisende wiskundige uitdaging heeft recent tot een onverwacht succes geleid. “Onder bepaalde aannames kan de ruimte gecreëerd worden vanuit deze bouwstenen, om vervolgens te evolueren tot een uitdijend universum”, zo vertelt Oriti. “Voor de eerste keer zijn we in staat geweest om de Friedmann-vergelijking direct af te leiden vanuit onze allesomvattende theorie van de structuur van het heelal”.De Friedmann-vergelijking is een fundamentele vergelijking die het uitdijen van het heelal omschrijft. De vergelijking is in de jaren ’20 van de vorige eeuw ontwikkeld door de Russische wiskundige Alexander Friedmann, op basis van de algemene relativiteitstheorie. De wetenschappers uit het team van Oriti zijn dus geslaagd in het slaan van een brug tussen de microwereld en de macrowereld, oftewel in het overbruggen van de kwantummechanica en de relativiteit. Ze hebben aangetoond dat de ruimte tevoorschijn kan komen vanuit een condensaat van elementaire cellen en zich vervolgens kan ontwikkelen tot een heelal zoals het onze.
Kwantumzwaartekracht kan nu vragen over de oerknal beantwoorden
Naar eigen zeggen bevinden Oriti en collega’s zich aan het begin van een moeilijke maar veelbelovende reis. Hun huidige oplossing is alleen geldig voor een homogeen universum, maar ons echte universum is veel complexer. We leven immers in een niet-homogeen universum, gevuld met planeten, sterren en sterrenstelsels. De natuurkundigen zijn druk bezig om deze een plaats te geven in hun theorie.Ze hebben bovendien een nogal groot einddoel gepland. Aan de ene kant willen ze onderzoeken of het mogelijk is om de ruimte TIJDENS de oerknal te omschrijven. Enkele jaren geleden hebben natuurkundigen aanwijzingen gevonden (aan de hand van een versimpelde versie van lus-kwantumzwaartekracht) dat ruimte en tijd wellicht herleid kunnen worden tot het begin van de oerknal, en misschien zelfs daarvoor. Oriti en collega’s proberen dit resultaat nu met hun theorie te bevestigen of te verbeteren. Daarnaast hopen ze een verklaring te vinden voor de inflationaire expansie van het universum vlak na de oerknal, evenals de aard van de mysterieuze donkere energie waardoor het universum steeds sneller aan het uitdijen is. Oriti’s collega Lorenzo Sindoni voegt daarom het volgende toe: “We kunnen de evolutie van het heelal pas begrijpen wanneer we een theorie van kwantumzwaartekracht hebben”. Ze zijn hierbij in goed gezelschap: Einstein en z’n opvolgers hebben hier bijna een eeuw naar gezocht. Bron: Max Planck Gesellschaft .
