Site pictogram Astroblogs

Ontstaat donkere energie door kwantumeffecten in een compacte dimensie?

De ultraviolet ultra deep field (EVUDF) gemaakt met de Hubble ruimtetelescoop. Credit: NASA

Sinds 1998 weten we dat het heelal versnelt expandeert, bewezen door twee onafhankelijke teams van sterrenkundigen, wiens bazen er in 2011 de Nobelprijs voor de Natuurwetenschappen voor kregen. De kracht die deze extra expansie veroorzaakt wordt de donkere energie genoemd en dankzij onderzoek van de Planck-satelliet weten we dat die donkere energie maar liefst 68,3% van alle massa-energie in het heelal vormt. Sinds 1998 breekt men zich het hoofd over de ware aard van donkere energie, waarbij soms terug wordt gegrepen op theorieën van lang geleden, zoals Einstein’s Kosmologische Constante uit 1917. Onlangs werd een artikel op de ArXiv gezet met een nieuw en interessant voorstel: is de donkere energie niet een resultaat van kwantumeffecten die plaatsvinden in compacte dimensies? De drie natuurkundigen, Arnaud Dupays, Brahim Lamine en Alain Blanchard (IRAP), baseren zich op het bekende Casimir-effect, dat in 1948 werd voorspeld door onze landgenoten Hendrik Casimir en Dirk Polder – hé, waarom heet het eigenlijk niet het Casimir-Poldereffect? [1]Nouwen, even goed lezen hé: op de Wikipedia-pagina staat toch duidelijk dat de kracht van het effect ook wel de Casimir-Polderkracht wordt genoemd. Pas hadden we het nog over dat effect in relatie tot een statisch heelal, goh wat een toeval.

Credit: Wikimedia Commons

Bij het Casimir-effect worden twee geleidende metalen platen zeer dicht bij elkaar gehouden, op een afstand van enkele micrometer. De ruimte zit vol met virtuele deeltjesparen, waar we normaal gesproken niets van merken omdat de effecten ervan elkaar opheffen. Maar tussen die twee platen lukt dat opheffen niet en het gevolg is dat door de kwantumeffecten van de virtuele deeltjesparen de twee platen tegen elkaar worden gedrukt. De virtuele deeltjesparen van het vacuüm hebben dus de kracht om twee metalen platen tegen elkaar te drukken, ook al zit er ‘niets’ tussen die platen. Het Casimir-effect laat dus zien dat kwantumfluctuaties in het vacuüm een kracht kunnen veroorzaken. En da’s nou precies wat Dupays, Lamine en Blanchard betogen: dat de donkere energie een resultaat is van dergelijke kwantumfluctuaties in het vacuüm. Voorwaarde is dan wel dat er een ‘beperkte geometrie’ moet zijn, d.w.z. een geometrie met een beperkt aantal dimensies. De Snaartheorie of M-theorie kent tien ruimtedimensies (plus één tijdsdimensie) en daarvan zijn er zeven ‘gecompactificeerd’, d.w.z. opgerold om zichzelf of ‘gekruld rondom Calabi-Yau ruimtes’ – tsja, hoe zeg ik het precies? Oh ja neem een rietje: dat kent twee dimensies, een gewone lengte en een gekrulde breedte, de omtrek van het rietje is dan de gecompactificeerde dimensie, metaforisch gesproken tenminste. Hieronder een voorbeeld van zo’n Calabi-Yau ruimte, zeg maar een multidimensionaal rietje.

Calabi Yau manifold

Credit: Wikimedia Commons

Als die extra dimensies extra bestaan, dan zijn de kwantumfluctuaties beperkt tot die gecompactificeerde dimensies en dat zou een soort van kosmisch Casimir-effect kunnen geven, dat lijkt op de donkere energie. Maar nou komt het: het bestaan van de zwaartekracht stelt ook eisen aan de hoeveelheid compacte dimensies. Maart dit jaar was ik al eens ingegaan op de vraag waarom de zwaartekracht zo ontzettend zwak is en het antwoord was dat het wellicht komt omdat de kracht van de zwaartekracht weglekt naar die compacte dimensies. Als compacte dimensies bestaan zou Newton’s omgekeerde kwadratenwet van de zwaartekracht uit 1687 – “De zwaartekracht tussen twee puntmassa’s is evenredig met het product van hun massa’s en omgekeerd evenredig met het kwadraat van hun afstand” – moeten stoppen bij die dimensies. Hieronder die eeuwenoude wet, getoond aan de hand van een appel.

De omgekeerde kwadratenwet van de zwaartekracht. Credit: Wikimedia Commons

Metingen geven aan dat á¡ls compacte dimensies bestaan, ze niet groter zijn dan 85 micrometer, de breedte van een mensenhaar. Maar wat blijkt verder nog uit de berekeningen van Dupays, Lamine en Blanchard? Dat op basis van de kwantumfluctuaties die zeven compact dimensies helemaal niet werken en dat er maar één compacte dimensie bestaat, eentje met een afmeting van zo’n 35 micrometer, 0,035mm. Bij die afstand zou de zwaartekracht dus z’n omgekeerde kwadratenrelatie moeten verlaten. Deze compacte dimensie is dan de vijfde dimensie, naast de vier reguliere dimensies van ruimte en tijd.

Daar is ‘ie, de vijfde dimensie – oh wacht, da’s een hele andere.

Eh… dat idee dat de donkere energie een resultaat zou zijn van kwantumfluctuaties van het vacuüm is toch niet nieuw, hoor ik je al denken? Nee, op zich is dat idee al ‘oud’, is het al in 1998 geopperd – wat zeg ik, de Rus Zel’dovich kwam er al in 1967 mee aan. Maar het probleem is dat het tot de zogenaamde vacuüm catastrofe leidt:  als je de energiedichtheid van het vacuüm gaat berekenen, de energie van al die virtuele deeltjesparen, die bij verschijnselen zoals het Casimireffect en de Lambverschuiving tevoorschijn komen, dan zit er een verschil van maar liefst 10^120 tussen de berekende energiedichtheid van het vacuüm en de gemeten energiedichtheid, die zo’n 10^-29 g/cm^3 bedraagt! 😯 Dat verschil wordt ook wel ‘de slechtste theoretische voorspelling in de geschiedenis van de natuurkunde‘ genoemd. Het is dankzij de beperking door Dupays, Lamine en Blanchard tot één compacte extra dimensie, en die weer beperkt tot een afmeting van 35 ?m, dat de vacuüm catastrofe voorkomen wordt en de berekende en gemeten energiedichtheid gelijk zijn. Ze spreken van een ‘gravitationeel Casimireffect‘. Ze denken dat de donkere energie die er het gevolg van is constant is – dus altijd en overal hetzelfde – en niet variabel, zoals in de andere verklaringen van de donkere energie zoals de theorie van de kwintessens en fantoomvelden. Een interessante theorie, nietwaar? Bron: Brian Koberlein.

Voetnoten

Voetnoten
1 Nouwen, even goed lezen hé: op de Wikipedia-pagina staat toch duidelijk dat de kracht van het effect ook wel de Casimir-Polderkracht wordt genoemd.
FacebookTwitterMastodonTumblrShare
Mobiele versie afsluiten