Ging de oerknal vooraf door een ‘grote stilte’?

Het zou best wel eens kunnen zijn dat de oerknal – de ‘grote knal’ (Big Bang) waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond – vooraf is gegaan door een ‘grote stilte’ (Big Silence), aldus een groeiende groep onderzoekers, waaronder de Franse kosmoloog Aurélien Barrau (Joseph Fourier Universiteit in Grenoble, Frankrijk). In het nummer van 14 juni van het Engelse populair wetenschappelijke tijdschrift New Scientist staat een interessant artikel over Barrau’s opmerkelijke idee en het is niet eens zo uit de lucht komen vallen. Barrau is al een poosje bezig om te kijken hoe de twee grote natuurkundige theorieën van de twintigste eeuw – de Algemene Relativiteitstheorie (ART) voor het grote en de kwantummechanica voor het kleine – verenigd kunnen worden. Van de vier natuurkrachten is de zwaartekracht de enige die nog niet in een kwantumtheorie is vastgelegd en het is die kwantum-zwaartekracht die de grote theorieën zou moeten verenigen. In de oerknal komen beiden letterlijk bijeen en da’s ook meteen waar Barrau’s opmerkelijke stelling over gaat: zijn berekeningen laten zien dat onder de extreme omstandigheden qua druk, temperatuur, dichtheid en energie tijdens die oerknal er een moment moet zijn geweest  waar alle punten in de ruimte niet met elkaar verbonden waren en dat er geen enkele vorm van communicatie tussen de punten mogelijk was.

Een lichtsnelheid die terugloopt… naar nul!

Voortbordurend op de zogenaamde Loop Quantum Gravity(LQG), een zwaartekrachtstheorie die er van uit gaat dat de ruimtetijd uit discrete punten bestaat, komt Barrau tot de conclusie dat als je terug gaat in de oerknal naar het allereerste moment – als een superkritische dichtheid op de zogenaamde Planckschaal wordt bereikt – de lichtsnelheid begint af te nemen en zelfs nul wordt. En als de lichtsnelheid nul is dan kan niets meer communiceren en kunnen krachten ook niet worden uitgewisseld. Dát is het moment van de grote stilte. Het is een soort van fase, die op een gegeven moment overgaat in de fase dat de lichtsnelheid groter wordt dan nul en communicatie mogelijk is. Die faseovergang wordt een ‘bounce’ genoemd – al in 2006 beschreven door o.a. Parampreet Singh – en het is dankzij deze veerkracht, dat er nieuwe energie vrijkomt die de daaropvolgende inflatie van het expanderende heelal voedt. De Loop Quantum Cosmology (LQC), die op haar beurt weer is afgeleid van de LQG, denkt dat die inflatieperiode twee keer langer duurde dan wat men nu inschat op basis van de schaarse informatie die men er over heeft.

Geometrie tijdens de Grote Stilte

Het was Steven Carlip (Universiteit van Californië in Davis), die in 2012 diverse modellen voor kwantum-zwaartekracht vergeleek en die ontdekte dat diversen daarvan iets verrassends vertelden over het allereerste begin van het heelal: dat er toen maat twee ruimtelijke dimensies waren! De geometrie van het heelal zag er dus heel anders uit dan na de oerknal, toen er vier ruimtelijke dimensies waren. Carlip werkt zelf met een variant van snaartheorie die dilaton zwaartekracht wordt genoemd en daarin wordt gezegd dat de ruimte in de eerste 10^-43 seconde verdeeld is in hele kleine, discrete brokjes, die allemaal in los verband staan en niets van elkaars bestaan merken – geheel in lijn met de ideeën van Barrau. Het LQC model heeft nog een verrassende uitkomst: als de druk, temperatuur en dichtheid nóg hoger worden gaat licht opeens weer bewegen, alleen op een vreemde manier, want de snelheid van licht blijkt een imaginair getal te zijn, de vierkantswortel van een negatief getal. Berekeningen laten zien dat dan tijd verandert in ruimte en dat er vier ruimtedimensies zijn en géén tijdsdimensie.

Causale Dynamische Triangulatie

Eén snaartheorie die een vergelijkbare stilte voorafgaand aan de oerknal voorspelt is de zogenaamde Causale Dynamische Triangulatie (CDT), een theorie die o.a. door Renate Loll (Radboud Universiteit in Nijmegen) is opgesteld. CDT zegt dat ruimte én tijd verdeeld zijn in kleine bouwstenen, genaamd pentachorons. Dat idee van die fase-overgangen is uit de CDT afkomstig en één van de drie fasen die de CDT onderscheid is wanneer de bouwstenen niet meer in contact met elkaar staan. In de afbeelding hiernaast zie je een fasediagram van ruimte en tijd volgens de theorie van de CDT. Interessante bespiegelingen allemaal, nietwaar? Bron: New Scientist, 14 juni 2014 + Back Reaction. [Update 21 juni, 10.00 uur] Ik heb hier voor de hardcore liefhebbers van sterrenkunde nog een lijstje met interessante vakartikelen over bovenstaande materie. Succes met doorworstelen.

• Observational issues in loop quantum cosmology, A. Barrau, T.Cailleteau, J.Grain and J. Mielczarek
• Spontaneous Dimensional Reduction?, S. Carlip
• Asymptotic silence in loop quantum cosmology, J. Mielczarek
• Quantum Gravity via Causal Dynamical Triangulations, J. Ambjorn, A. Goerlich, J. Jurkiewicz, R. Loll