Wetenschappers van de University of Waterloo hebben een doorbraak gerealiseerd in ons begrip van het ontstaan van het universum. Hun onderzoek suggereert dat de razendsnelle uitdijing van het universum kort na de oerknal mogelijk een natuurlijk gevolg is van kwantumzwaartekracht, zonder dat er extra aannames nodig zijn.
Drie pijlers die elkaar tegenspreken
De moderne kosmologie rust op drie theoretische fundamenten: speciale relativiteitstheorie, Newtoniaanse zwaartekracht en kwantummechanica. universetoday.com, maar ze beschrijven de fysische werkelijkheid op manieren die elkaar tegenspreken. Kwantumtheorie beschrijft het minuscule — atomen en moleculen. Newtons model beschrijft het enorme — sterrenstelsels, zwarte gaten en planetenbanen. Speciale relativiteit beschrijft ruimte en tijd zelf.
Twee van deze theorieën kunnen worden verenigd tot consistente modellen. Speciale relativiteit gecombineerd met zwaartekracht levert algemene relativiteitstheorie op. Speciale relativiteit met kwantummechanica geeft kwantumveldentheorie. Maar een theorie die alle drie verenigt, ontbreekt nog steeds.
Het renormalisatieprobleem
Een van de grootste obstakels is het zogenaamde renormalisatieprobleem. In kwantumtheorie kunnen deeltjes spontaan verschijnen of verdwijnen als virtuele deeltjes binnen de grenzen van kwantum-onzekerheid. Wanneer je dit combineert met speciale relativiteit, hebben deze virtuele deeltjes energie, wat weer meer virtuele deeltjes triggert. universetoday.com.
Door een wiskundig proces genaamd renormalisatie kan de virtuele energie van kwantumdeeltjes worden weggestreept. Maar wanneer je zwaartekracht toevoegt, breekt dit systeem af. De energie van virtuele deeltjes zou ruimtetijd moeten vervormen, en zonder een vaste ruimtetijd-achtergrond kun je niet renormaliseren.
Kwadratische kwantumzwaartekracht als oplossing
Veel benaderingen van kwantumzwaartekracht stuiten op dit probleem. Maar één aanpak, bekend als kwadratische kwantumzwaartekracht, kan wel worden gerenormaliseerd. eurekalert.org, aldus onderzoekers van de University of Waterloo.
Het model voegt kwadratische termen toe aan de Einstein-veldvergelijkingen, waardoor het kan worden gerenormaliseerd zoals kwantumveldentheorie. Het probleem is dat het ook een kwantumveld van "spookdeeltjes" introduceert. Deze deeltjes verschijnen niet in deeltjesfysica-experimenten, waardoor kwadratische kwantumzwaartekracht niet erg populair is geweest.
Verbinding met kosmische inflatie
Dr. Niayesh Afshordi, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de University of Waterloo en het Perimeter Institute, leidde het onderzoeksteam dat deze nieuwe benadering ontwikkelde. uwaterloo.ca, zonder extra ingrediënten toe te voegen.
Deze vroege uitbarsting van expansie, vaak inflatie genoemd, is een centraal idee in de moderne kosmologie omdat het verklaart waarom het universum er vandaag uitziet zoals het eruitziet. Volgens de inflatietheorie dijde het vroege universum exponentieel snel uit gedurende een fractie van een seconde na de oerknal.
Unificatie zonder extra aannames
De meeste bestaande verklaringen voor de oerknal zijn gebaseerd op Einsteins zwaartekrachttheorie, plus extra componenten die handmatig worden toegevoegd. Deze nieuwe benadering biedt een meer verenigd beeld dat de vroegste momenten van het universum verbindt met de goed geteste kosmologie die wetenschappers vandaag waarnemen.
Hoewel algemene relativiteit meer dan een eeuw succesvol is geweest, faalt deze bij de extreme omstandigheden die bestonden bij de geboorte van het universum. De kwadratische kwantumzwaartekracht biedt mogelijk een oplossing voor dit probleem.
Implicaties voor toekomstig onderzoek
Het is mogelijk dat de spookdeeltjes gewoon te massief zijn om in huidige deeltjesfysica-experimenten te verschijnen, wat de theorie tot nu toe moeilijk testbaar maakte. Maar door de verbinding met kosmische inflatie ontstaan mogelijk nieuwe manieren om de theorie te toetsen aan waarnemingen van het vroege universum.
arxiv.org onderzoekt vergelijkbare mechanismen voor het ontstaan van kosmische versnelling binnen kwantumzwaartekracht-modellen, wat suggereert dat dit een groeiend onderzoeksgebied is met potentieel voor nieuwe ontdekkingen over de fundamentele structuur van ruimte, tijd en materie.