Het heelal | Multiversum | Parallel universum | Ruimte tijd | Oerknaltheorie

Er is een grote hoeveelheid wetenschappelijk bewijs dat het beeld van het zich uitbreidende heelal en de oerknal ondersteunt. De gehele massa-energie van het heelal werd vrijgegeven tijdens een gebeurtenis die minder dan 10 ^ -30 seconden duurde; het meest energetische dat ooit in de geschiedenis van ons universum heeft plaatsgevonden. NASA / GSFC

Het is nog maar 13,8 miljard jaar geleden sinds de oerknal en de topsnelheid waarmee informatie kan reizen - de lichtsnelheid - is eindig. Ook al is het hele universum zelf echt oneindig, het waarneembare universum is beperkt. Volgens de leidende ideeën van de theoretische fysica kan ons heelal echter slechts één minuscuul gebied zijn van een veel groter multiversum, waarin veel universums, misschien zelfs een oneindig aantal, zijn vervat. Sommige hiervan zijn feitelijke wetenschap, maar sommige zijn niets meer dan speculatief, wensdenken. Hier leest u hoe u kunt zien wat wat is. Maar eerst een beetje achtergrond.

Het universum heeft tegenwoordig enkele feiten die relatief gemakkelijk te observeren zijn, althans met wetenschappelijke faciliteiten van wereldklasse. We weten dat het heelal aan het uitbreiden is: we kunnen eigenschappen over sterrenstelsels meten die ons zowel hun afstand leren als hoe snel ze van ons lijken weg te bewegen. Hoe verder ze verwijderd zijn, hoe sneller ze lijken te wijken. In het kader van algemene relativiteit betekent dit dat het universum zich uitbreidt.

En als het heelal vandaag uitbreidt, betekent dat dat het in het verleden kleiner en dichter was. Extrapoleer ver genoeg terug en je zult zien dat dingen ook uniformer zijn (omdat de zwaartekracht tijd kost om dingen samen te laten klonteren) en heter (omdat kleinere golflengten voor licht hogere energieën / temperaturen betekenen). Dit brengt ons terug naar de Big Bang.

Een illustratie van onze kosmische geschiedenis, van de oerknal tot heden, binnen de context van het uitdijende heelal. De eerste Friedmann-vergelijking beschrijft al deze tijdperken, van inflatie tot de oerknal tot heden en tot ver in de toekomst, perfect nauwkeurig, zelfs vandaag. NASA / WMAP SCIENCE TEAM

Maar de oerknal was niet het allereerste begin van het universum! We kunnen alleen terug naar een bepaald tijdperk extrapoleren voordat de voorspellingen van de oerknal mislukken. Er zijn een aantal dingen die we in het heelal waarnemen die de oerknal niet kan verklaren, maar een nieuwe theorie die de oerknal opzet - kosmische inflatie - kan dat wel.

De kwantumfluctuaties die tijdens inflatie optreden, worden over het heelal uitgerekt en wanneer de inflatie eindigt, worden ze dichtheidsfluctuaties. Dit leidt in de loop van de tijd tot de grootschalige structuur in het universum van vandaag, evenals de temperatuurschommelingen die worden waargenomen in de CMB.E. SIEGEL, MET AFBEELDINGEN AFGELEID VAN ESA / PLANCK EN DE DOE / NASA / NSF INTERAGENCY TASK FORCE OP CMB-ONDERZOEK

In de jaren 80 is een groot aantal theoretische gevolgen van inflatie uitgewerkt, waaronder:

  • hoe de zaden voor grootschalige structuur eruit moeten zien,
  • dat temperatuur- en dichtheidsfluctuaties moeten voorkomen op schalen die groter zijn dan de kosmische horizon,
  • dat alle gebieden van de ruimte, zelfs met fluctuaties, constante entropie zouden moeten hebben,
  • en dat er een maximale temperatuur moet worden bereikt door de hete oerknal.

In de jaren 1990, 2000 en 2010 werden deze vier voorspellingen met grote precisie waargenomen. Kosmische inflatie is een winnaar.

Door inflatie neemt de ruimte exponentieel toe, wat er zeer snel toe kan leiden dat een reeds bestaande gebogen of niet-gladde ruimte er plat uitziet. Als het heelal gekromd is, heeft het een kromtestraal die minimaal honderden keren groter is dan wat we kunnen waarnemen. SIEGEL (L); NED WRIGHT'S COSMOLOGIE TUTORIAL (R)

Inflatie vertelt ons dat het heelal vóór de oerknal niet gevuld was met deeltjes, antideeltjes en straling. In plaats daarvan was het gevuld met energie die inherent is aan de ruimte zelf, en die energie zorgde ervoor dat de ruimte zich met een snel, meedogenloos en exponentieel tempo uitbreidde. Op een gegeven moment stopt de inflatie en wordt al (of bijna al) die energie omgezet in materie en energie, wat aanleiding geeft tot de hete oerknal. Het einde van de inflatie en wat bekend staat als het opnieuw opwarmen van ons universum, markeert het begin van de hete oerknal. De Big Bang gebeurt nog steeds, maar het is niet het allereerste begin.

Inflatie voorspelt het bestaan ​​van een enorm volume aan niet-waarneembaar universum buiten het deel dat we kunnen waarnemen. Maar het geeft ons nog meer dan dat. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

Als dit het volledige verhaal was, hadden we alleen maar een extreem groot universum. Het zou overal dezelfde eigenschappen hebben, overal dezelfde wetten, en de delen die buiten onze zichtbare horizon lagen zouden vergelijkbaar zijn met waar we zijn, maar het zou niet terecht het multiversum worden genoemd.

Totdat je bedenkt dat alles wat fysiek bestaat, inherent kwantum van aard moet zijn. Zelfs inflatie, met alle onbekende factoren eromheen, moet een kwantumveld zijn.

Het kwantumkarakter van inflatie betekent dat het eindigt in sommige 'zakken' van het heelal en doorgaat in andere. Het moet de metaforische heuvel afrollen en de vallei in, maar als het een kwantumveld is, betekent de verspreiding dat het in sommige regio's zal eindigen en in andere zal doorgaan. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

Als u vervolgens wilt dat inflatie de eigenschappen heeft die alle kwantumvelden hebben:

  • dat de eigenschappen ervan onzekerheden met zich meebrengen,
  • dat het veld wordt beschreven door een golffunctie,
  • en de waarden van dat veld kunnen zich in de tijd verspreiden,

kom je tot een verrassende conclusie.

Overal waar inflatie optreedt (blauwe blokjes), leidt het bij elke stap vooruit in de tijd tot exponentieel meer gebieden in de ruimte. Zelfs als er veel kubussen zijn waar de inflatie eindigt (rode X's), zijn er veel meer regio's waar de inflatie in de toekomst zal doorgaan. Het feit dat hier nooit een einde aan komt, maakt inflatie 'eeuwig' zodra ze begint. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

De inflatie stopt niet overal tegelijk, maar op bepaalde, losgekoppelde locaties op een bepaald moment, terwijl de ruimte tussen die locaties blijft toenemen. Er zouden meerdere enorme gebieden in de ruimte moeten zijn waar de inflatie eindigt en een hete oerknal begint, maar ze kunnen elkaar nooit tegenkomen, omdat ze gescheiden zijn door gebieden met opblazende ruimte. Waar de inflatie ook begint, het zal vrijwel zeker een eeuwigheid doorgaan, althans op bepaalde plaatsen.

Waar de inflatie voor ons ophoudt, krijgen we een hete oerknal. Het deel van het heelal dat we waarnemen is slechts een deel van deze regio waar de inflatie eindigde, met daarbuiten een meer niet-waarneembaar heelal. Maar er zijn talloze regio's, allemaal losgekoppeld van elkaar, met hetzelfde exacte verhaal.

Een illustratie van meerdere, onafhankelijke universums, causaal losgekoppeld van elkaar in een zich steeds uitbreidende kosmische oceaan, is een afbeelding van het Multiverse-idee. In een regio waar de oerknal begint en de inflatie eindigt, zal het expansiepercentage dalen, terwijl de inflatie tussen twee van dergelijke regio's doorgaat, waardoor ze voor altijd van elkaar worden gescheiden.

Dat is het idee van het multiversum. Zoals je kunt zien, is het gebaseerd op twee onafhankelijke, goed ingeburgerde en algemeen aanvaarde aspecten van de theoretische fysica: de kwantumaard van alles en de eigenschappen van kosmische inflatie. Er is geen bekende manier om het te meten, net zoals er geen manier is om het niet-waarneembare deel van ons universum te meten. Maar de twee onderliggende theorieën, inflatie en kwantumfysica, zijn geldig gebleken. Als ze gelijk hebben, is het multiversum daar een onontkoombaar gevolg van, en we leven erin.

Het multiversum-idee stelt dat er een willekeurig groot aantal universums is zoals de onze, maar dat betekent niet noodzakelijk dat er een andere versie van ons is, en het betekent zeker niet dat er een kans is om een ​​alternatieve versie van jezelf tegen te komen ... of wat dan ook uit een ander universum. LEE DAVY / FLICKR

En dan? Dat is niet veel, nietwaar? Er zijn tal van theoretische gevolgen die onvermijdelijk zijn, maar die we niet zeker kunnen weten omdat we ze niet kunnen testen. Het multiversum is daar een van in een lange rij. Het is niet echt een nuttige realisatie, alleen een interessante voorspelling die uit deze theorieën valt.

Dus waarom schrijven zoveel theoretische natuurkundigen artikelen over het multiversum? Over parallelle universums en hun verbinding met de onze via dit multiversum? Waarom beweren ze dat het multiversum verbonden is met het snaarlandschap, de kosmologische constante en zelfs met het feit dat ons universum nauwkeurig is afgestemd op het leven?

Want hoewel het natuurlijk een slecht idee is, hebben ze geen betere.

Het snaarlandschap is misschien een fascinerend idee dat vol zit met theoretisch potentieel, maar het voorspelt niets dat we in ons universum kunnen waarnemen. Dit idee van schoonheid, ingegeven door het oplossen van 'onnatuurlijke' problemen, is op zichzelf niet genoeg om het niveau te bereiken dat de wetenschap vereist. UNIVERSITY OF CAMBRIDGE

In de context van de snaartheorie zijn er een enorme reeks parameters die in principe bijna elke waarde kunnen aannemen. De theorie maakt er geen voorspellingen voor, dus moeten we ze met de hand doen: de verwachtingswaarden van de string vacua. Als je hebt gehoord van ongelooflijk grote aantallen zoals de beroemde 10500 die in de snaartheorie voorkomt, zijn de mogelijke waarden van de snaar vacua waar ze naar verwijzen. We weten niet wat ze zijn of waarom ze de waarden hebben die ze doen. Niemand weet hoe ze te berekenen.

Een weergave van de verschillende parallelle 'werelden' die mogelijk in andere delen van het multiversum bestaan. OPENBAAR DOMEIN

Dus in plaats daarvan zeggen sommige mensen "het is het multiversum!" De manier van denken gaat als volgt:

  • We weten niet waarom de fundamentele constanten de waarden hebben die ze hebben.
  • We weten niet waarom de wetten van de natuurkunde zijn wat ze zijn.
  • De snaartheorie is een raamwerk dat ons onze natuurwetten met onze fundamentele constanten kan geven, maar het kan ons ook andere wetten en / of andere constanten geven.
  • Als we dus een enorm multiversum hebben, waar veel verschillende regio's verschillende wetten en / of constanten hebben, zou een van hen de onze kunnen zijn.

Het grote probleem is dat dit niet alleen enorm speculatief is, maar dat er, gezien de inflatie en kwantumfysica die we kennen, geen reden is om aan te nemen dat een opblazende ruimtetijd verschillende wetten of constanten heeft in verschillende regio's.

Niet onder de indruk van deze redenering? Geen van beiden is praktisch iemand anders.

Hoe waarschijnlijk of onwaarschijnlijk zou ons universum een ​​wereld als de aarde voortbrengen? En hoe aannemelijk zouden die kansen zijn als de fundamentele constanten of wetten die ons universum beheersen anders zouden zijn? A Fortunate Universe, van wiens omslag deze afbeelding is genomen, is zo'n boek dat deze problemen onderzoekt. GERAINT LEWIS EN LUKE BARNES

Zoals ik eerder heb uitgelegd, is het Multiversum op zichzelf geen wetenschappelijke theorie. Het is eerder een theoretisch gevolg van de natuurkundige wetten zoals ze tegenwoordig het best worden begrepen. Het is misschien zelfs een onvermijdelijk gevolg van die wetten: als je een inflatoir universum hebt dat wordt beheerst door de kwantumfysica, is dit iets waar je vrijwel zeker mee zult eindigen. Maar - net als de snaartheorie - heeft het een aantal grote problemen: het voorspelt niets dat we hebben waargenomen en kan het niet zonder uitleggen, en het voorspelt niets definitiefs waarnaar we kunnen gaan zoeken.

Visualisatie van een berekening van een kwantumveldentheorie die virtuele deeltjes in het kwantumvacuüm toont. Zelfs in lege ruimte is deze vacuümenergie niet nul. Of het dezelfde, constante waarde heeft in andere regio's van het multiversum is iets dat we niet kunnen weten, maar er is geen motivatie om het zo te zijn. ONDEREK LEINWEBER

In dit fysieke universum is het belangrijk om alles te observeren wat we kunnen, en om alle kennis die we kunnen verzamelen te meten. Alleen uit de volledige reeks beschikbare gegevens kunnen we hopen ooit geldige, wetenschappelijke conclusies te trekken over de aard van ons heelal. Sommige van die conclusies hebben implicaties die we misschien niet kunnen meten: daaruit vloeit het bestaan ​​van het multiversum voort. Maar als mensen dan beweren dat ze conclusies kunnen trekken over fundamentele constanten, de natuurwetten of de waarden van string vacua, doen ze geen wetenschap meer; ze speculeren. Wensdenken is geen vervanging voor gegevens, experimenten of waarnemingen. Houd er rekening mee dat het multiversum een ​​gevolg is van de beste wetenschap die we vandaag hebben, totdat we die hebben, maar het maakt geen wetenschappelijke voorspellingen die we op de proef kunnen stellen.

Ik hoop dat dit het onderwerp Astrofysica van enig belang kan maken.

Jyotiraditya