Al meer dan een eeuw is de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein de gouden standaard om te begrijpen hoe de zwaartekracht ons universum vormt. Wanneer natuurkundigen deze theorie echter proberen te gebruiken om terug te kijken naar het allereerste begin der tijden – de oerknal – mislukt de wiskunde. Het voorspelt een ‘singulariteit’, een punt van oneindige dichtheid en temperatuur dat de bekende wetten van de natuurkunde tart.
Een nieuwe doorbraak in het onderzoek suggereert dat het antwoord op dit kosmische raadsel misschien niet ligt in het toevoegen van nieuwe ‘ingrediënten’ aan het universum, maar in het fundamenteel herdefiniëren van de zwaartekracht zelf door middel van een raamwerk dat bekend staat als Kwadratische Kwantumzwaartekracht.
Het conflict tussen groot en klein
Om te begrijpen waarom dit onderzoek ertoe doet, moet men het fundamentele schisma in de moderne natuurkunde onderkennen:
– Algemene Relativiteitstheorie verklaart met succes de macrowereld: sterren, sterrenstelsels en de uitdijing van de ruimte.
– Kwantummechanica legt met succes de microwereld uit: atomen en subatomaire deeltjes.
Het probleem ontstaat wanneer deze twee werelden botsen. Tijdens de oerknal werd het hele universum samengedrukt in een ruimte kleiner dan een atoom, wat betekent dat zowel de zwaartekracht als de kwantumeffecten tegelijkertijd dominant waren. Omdat onze huidige theorieën niet met elkaar ‘praten’, leveren de vergelijkingen van Einstein onzinnige resultaten op – de gevreesde singulariteit – op deze extreme schaalniveaus.
Een nieuwe aanpak: zwaartekracht als eigen motor
Traditioneel moesten wetenschappers, om de snelle uitdijing van het vroege heelal te verklaren (een proces dat inflatie wordt genoemd), de theorie van Einstein ‘patchen’ door een hypothetisch energieveld toe te voegen.
Een onderzoeksteam onder leiding van Niayesh Afshordi van de Universiteit van Waterloo en het Perimeter Instituut stelt een elegantere oplossing voor. In plaats van externe componenten toe te voegen om de wiskunde te corrigeren, onderzoeken ze een versie van de zwaartekracht die ‘ultraviolet compleet’ is. In de natuurkunde betekent dit een theorie die wiskundig consistent en functioneel blijft, zelfs bij willekeurig hoge energieën.
‘In plaats van de oerknal te behandelen als een punt waarop onze vergelijkingen falen en dat vervolgens te verhelpen met aanvullende aannames, bestuderen we een theorie waarin de zwaartekracht al de ingrediënten bevat die nodig zijn om die ultravroege fase consistenter te beschrijven’, zegt Afshordi.
De belangrijkste implicaties van dit model zijn onder meer:
– Natuurlijke inflatie: De snelle uitdijing van het vroege heelal wordt mogelijk niet veroorzaakt door een kracht van buitenaf, maar kan op natuurlijke wijze voortkomen uit de eigenschappen van de zwaartekracht zelf.
– De singulariteit elimineren: Door de zwaartekracht door een kwantumlens te behandelen, elimineert het model mogelijk de behoefte aan een ‘punt van oneindige dichtheid’, wat een vloeiender, logischer begin van de kosmos biedt.
– Superieure gegevensaanpassing: Voorlopige resultaten suggereren dat dit model zowel bij de huidige observatiegegevens als, of zelfs beter dan, standaard inflatiemodellen past.
De zoektocht naar kosmisch bewijs
Hoewel de theorie wiskundig overtuigend is, blijft ze onbewezen. De volgende uitdaging voor Afshordi en zijn team is om van theoretische elegantie naar observationeel bewijs te gaan.
Om te bewijzen dat kwadratische kwantumzwaartekracht de juiste beschrijving is van onze oorsprong, zoeken wetenschappers naar ‘kosmische fossielen’ – overblijfselen die zijn achtergelaten sinds het begin der tijden. De twee primaire doelstellingen zijn:
- Oerzwaartekrachtgolven: Kleine rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd, gecreëerd tijdens de eerste momenten van het universum.
- De kosmische microgolfachtergrond (CMB): De nagloed van de oerknal, die subtiele afdrukken bevat van vroege kosmische activiteit.
Als toekomstige telescopen specifieke patronen in deze signalen detecteren, zou dit kunnen bevestigen dat de zwaartekracht veel complexer is – en veel zelfvoorzienend – dan Einstein ooit had gedacht.
Conclusie
Door ons begrip van de zwaartekracht te ontwikkelen en kwantumeffecten erbij te betrekken, kunnen wetenschappers uiteindelijk de kloof tussen het zeer grote en het zeer kleine overbruggen, waardoor mogelijk de wiskundige onmogelijkheid van een singulariteit wordt vervangen door een consistente, verenigde geschiedenis van onze kosmische oorsprong.
