24 augustus 2019

De vacuüm catastrofe

In alle discussies over donkere energie komt het terug: de energie van het vacuüm. Volgens de definitie is het vacuüm ‘een ruimte zonder materie en zonder druk’ – en dus ook zonder energie, volgens Einstein’s E=mc². Einstein was zelf al gelijk de eerste die er vanaf stapte, want met de introductie in zijn zwaartekrachtswet van de kosmologische constante Lambda (Λ), een poging om een stabiel heelal te krijgen dat niet krimpt en niet uitzet, voerde hij een term in die energie gaf aan de ruimtetijd en daarmee aan het vacuüm. Hoewel Einstein dat later weer terugnam (‘de grootste blunder van mijn leven’ schijnt hij erover te hebben gezegd) werd in 1998 door twee onafhankelijke teams ontdekt dat het heelal versnelt uitdijt en dat die versnelling veroorzaakt wordt door donkere energie, een energie van het vacuüm, elke een afstotende werking heeft.

De meeste sterrenkundigen denken dat die donkere energie gevormd wordt door Λ, al denkt een kleine groep dat donkere energie niet constant is, maar langzaam in de loop van de evolutie van het heelal wijzigt, dat is de theorie van de kwintessens. Berekeningen laten zien dat Λ héél klein is, volgens de laatste schattingen ~ 4,3 x 10^-66 eV, da’s ~ 7 × 10^-30 g/cm³. En nou komt het probleem: theoretische berekeningen op grond van de kwantumveldentheorie (Engels: quantum field theory, QFT) komen met voorspellingen voor de energie van het vacuüm die véél hoger zijn dan de gemeten waarden. QFT zegt dat op grond van Heisenberg’s onzekerheidsprincipe het vacuüm vol zit met continu oppoppende virtuele deeltjesparen. Nee, dat is geen theoretische bespiegeling, het is zichtbaar bij bekende verschijnselen zoals het Casimireffect (zie hieronder) en de Lambverschuiving.

Die hebben zogeheten ‘zero-point energy’ en van krachtvoerders zoals fotonen en gluonen is die positief, van materie zoals quarks en elektronen is die negatief. Bij elkaar opgeteld levert dat de energie van het vacuüm op en die blijkt tussen de 60 en 120 (!) ordes van grootte groter te zijn dan de waargenomen vacuüm-energiedichtheid – die 60 krijgt men als rekening wordt gehouden met Lorentzinvariantie, die 120 als daar geen rekening mee wordt gehouden. Zie daar de vacuüm catastrofe – ook wel het probleem van de kosmologische constante genoemd – in een notendop: de theoretische waarde van de vacuümenergie is véél hoger dan de gemeten waarde. Je kunt er T-shirts van kopen. 🙂

Over het oplossen van dat verschil wordt uiteraard nagedacht door natuur- en sterrenkundigen, maar dat valt niet mee. Je zou redenen kunnen bedenken waarom die vacuümenergie in werkelijkheid helemaal niet zo hoog moet zijn als theoretische modellen nu laten zien, maar dan krijg je met problemen in het allervroegste heelal, toen het heelal héél klein was en die vacuümenergie vergeleken met de ‘gewone’ materie en energie in het heelal niets voorstelde. Maar dat is wel de richting waarin nu gedacht wordt: dat er iets in dat vroege heelal gebeurde, waardoor de energie van het vacuüm de proporties kreeg die we nu waarnemen.

Eén van die denkrichtingen is dat er niet één heelal ontstond, maar veel heelallen – het welbekende multiversum (zie afbeelding hierboven). Al die multiversa zouden verschillende vacuüm-energiedichtheden hebben en wij zouden per toeval in eentje wonen waarin die dichtheid heel laag is. Een andere denkrichting is dat er geen sprake was van een oerknal, maar van een ‘big bounce’ en dat gedurende die ‘opvering’ van het vorige in het nieuwe heelal de vacuümenergie een soort van verdunning onderging en lage waardes kreeg. Tenslotte is er nog denkrichting die uitgaat van één compacte extra dimensie, naast de welbekende vier ruimtetijddimensies, een dimensie die beperkt is tot een afmeting van 35 ?m en waarmee de vacuüm catastrofe voorkomen kan worden. Afijn, dit komt vast nog wel een keertje terug. Bron: Wiki + Quanta Magazine.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.