21 maart 2019

Flinke discussie gaande over donkere energie in het moerasgebied van de snaartheorie

Leven we in een multiversum met 10^500 heelallen?

Afgelopen zomer is een flinke discussie losgebarsten tussen natuurkundigen over de aard van de donkere energie, de mysterieuze energie die ervoor zorgt dat het heelal versneld uitdijt. De discussie wordt gevoerd tussen verschillende ‘kampen’ van snaartheoretici, natuurkundigen die geloven dat alles in het heelal uit zeer kleine snaren bestaat, een soort mini-elastiekjes die op allerlei wijzen kunnen trillen. Sinds 2003 denken de snaartheoretici dat er in de wereld van snaren wel 10^500 soorten van ‘valse vacua’ zijn, hypothetische vacua beschreven volgens ‘effective field theories‘ (EFT’s) waarin het universum zich zou kunnen bevinden en die niet stabiel zijn, d.w.z. die niet in de echte, laagste energietoestand zitten.

Het was de bekende natuurkundige Leonard Susskind, die in 2003 die enorme hoeveelheid mogelijke toestanden ‘het Landschap’ noemde – later kwam hij in 2005 met het boek ‘The cosmic landscape‘, waarin hij aangaf dat die 10^500 mogelijke toestanden wijzen op het bestaan van een multiversum. In datzelfde jaar kwam de natuurkundige Cumrun Vafa aan met een artikel, waarin hij wees op het bestaan van een ‘moerasgebied’ (Engels: Swampland), een stuk gebied buiten het landschap van de 10^500 universums, waarin allerlei universums voorkomen, die consistent lijken, maar dat niet zijn.

Aankondiging voor een conferentie over de Swampland in september dit jaar

De discussie die nu wordt gevoerd gaat over donkere energie, de positieve energie die met z’n negatieve druk zorgt voor de in 1998 ontdekte versnelde uitdijing van het heelal. Wat die donkere energie precies is weten  natuurkundigen niet, maar uit metingen met de Planck satelliet blijkt wel dat maar liefst 68,5% van alle massaenergie in het heelal bestaat uit die mysterieuze donkere energie. Er bestaan grofweg twee modellen voor de donkere energie: de ene zegt dat het gevormd wordt door de kosmologische constante, de constante genaamd ? , die Albert Einstein meer dan honderd jaar geleden al aan z’n veldvergelijkingen toevoegde, om een stabiel heelal te krijgen. In dat model is de donkere energie ? ook echt constant, naar schatting zo’n 4,33×10^-66 eV^2. Het andere model zegt dat donkere energie niet constant is, maar dat het in de loop van de evolutie van het heelal langzaam, maar gestaag verandert – het model van de zogeheten kwintessens.

De dichtheid van materie, straling, kwintessens en de kosmologische constante gedurende de evolutie van het heelal (aangegeven met de rooverschuiving z op de horizontale as, nu is z=0),

Onze landgenoot Willem de Sitter kwam in 1917 met berekeningen, die uitgingen van een heelal dat niet stabiel is, maar expandeert. In navolging van de Sitter worden nu twee heelalmodellen onderscheiden, het ene met de Sitter (dS) ruimte, welke een positieve kosmologische constante heeft en verwaarloosbaar weinig materie en waarin het heelal exponentieel groeit, het andere met zogeheten anti de Sitter (AdS) ruimte, met een negatieve kosmologische constante. De donkere energie van ons heelal is positief, dus valt de AdS ruimte logischerwijs af als model om ons heelal te beschrijven. Blijft dus het dS model over. In 2003 werd al een eerste poging gedaan om vanuit de snaartheorie te komen tot een heelal waarin dS ruimte voorkomt, in een beroemd geworden artikel dat naar de beginletters van de auteurs bekendstaat als het KKLT artikel. Het waren allemaal natuurkundigen van de Stanford Universiteit, die daaraan werkten, en die kozen voor donkere energie ? .

Eén van de 10^500 mogelijke vormen van een vacuum van het heelal

Eind juni kwam Vafa met enkele collega’s met twee artikelen op de Arxiv, deze en deze, die opnieuw ingingen op de donkere energie in verband met de snaartheorie. Conclusie van de artikelen: volgens de snaartheorie moet in een uitdijend heelal de donkere energie afnemen in dichtheid. De donkere energie is dus volgens Vafa et al niet constant, zij kiezen voor het model van de kwintessens. Ook denken ze dat er vanuit het moerasgebied van de snaartheorie aanwijzingen zijn dat er helemaal geen 10^500 mogelijke vacua zijn, maar dat dat een stuk minder is. En sindsdien is er op diverse zomerconferenties over de snaartheorie, zoals onlangs de Simons Center Workshop on the Swampland flink gediscussieerd tussen de twee ‘kampen’, het Stanfordkamp en het Vafakamp, soms zelf op het scherp van de snede. Op die laatst genoemde Workshop was er bijvoorbeeld een lezing van Thomas van Riet over de ‘Status van KKLT‘ en na afloop daarvan (te zien vanaf 1h30m in de video) roept één van de aanwezige natuurkundigen dat wat van Riet doet erg gevaarlijk is en dat hij niet meer thuis kan komen, want hoe kon hij nou ooit zeggen dat er 10^500 landschappen zijn en nu niet meer. Vafa zit ook in de zaal en zegt tegen de ageerder ‘je verklaring is lasterlijk, laten we kalmeren’. Dat soort toestanden dus…

Hoe nu verder? Natuurkundigen denken dat de oplossing ligt in de sterrenkunde: onderzoeken met grote (ruimte-) telescopen zoals de Dark Energy Survey en de toekomstige WFIRST en Euclid satellieten moeten duidelijk maken wat de aard van de donkere energie is: als die inderdaad constant is, dan heeft het Stanfordkamp gelijk, als die verandert dan heeft het Vafakamp met z’n kwintessens gelijk. Wellicht is er nog een derde hond, die er uiteindelijk met het been vandoor gaat: de natuurkundigen, zoals Peter Woit van Not Even Wrong, die helemaal niet in de snaartheorie geloven. Want dát zou de uitkomst van het debat ook kunnen worden, dat géén van de snaarkampen gelijk heeft, dat de snaartheorie helemaal niet correct blijkt te zijn.

Impressie van de toekomstige Euclid missie van de ESA

Bronnen: The Reference Frame, CNN, Quanta Magazine, Not Even Wrong,