Multiverse, inflation, singularity en infinity

De vraag hoe ons universum is ontstaan, waar het begonnen is en hoe het zich ontwikkeld en uitdijt gaat vaak gepaard met zeer ingewikkelde materie waar vooral wetenschappers hun hoofd over buigen. Binnen de wetenschap kom je op het grensgebied van wetenschap en filosofie. De wetenschap reikt tot het waarneembare universum. De filosofie gaat over theorieën die zich buiten het waarneembare universum begeven. Zijn er meerdere universa, waar dijt het universum naar uit, is alle energie ontstaan uit 1 punt, is het universum een lineair of circulair proces?

De big bang theorie of de inflatie theorie wordt omgeven met controleerbare waarnemingen uit het waarneembare universum. Dat wil niet zeggen dat het een volledige sluitende theorie is waardoor het bijna een feit wordt. Er zijn ook theorieën die de big bang theorie tegenspreken en komen met alternatieve theorieën. Nou komen deze geluiden ook vaak uit de alternatieve media, de astroblogs en de christelijke hoek en zijn lang niet alle argumenten valide. Ook omdat de argumenten en feiten uit de inflatietheorie en big bang theorie niet stroken met een bepaalde ideologie. Toch heeft de big bang theorie nog vele haken en ogen. De benaming van big bang veronderstelt bijvoorbeeld dat het gaat om een oerknal (wat het niet is) en we weten nog erg weinig over donkere energie en donkere materie. Een groot deel van het totale universum is bovendien nog onbekend. We weten dus nog heel veel dingen niet. Alternatieve theorieen gaan ook uit van andere toepassingen van big bangs en veronderstellen vaak niet 1 big bang. Als natuurkundig hier 1 big bang kan ontstaan, waarom zou dat in andere situaties ook niet elders kunnen ontstaan? Het filosofische gedachtegoed van een multiversum of multiversa krijgt steeds meer draagvlak.

Explanation of and alternatives to the Big Bang theory.

De steady-state theorie gaat uit van een universum dat er in het verleden niet anders uit zag dan nu. Deze theorie kwam in het geding door de ontdekking van kosmische achtergrondstraling (1965) waardoor bekend werd dat het heelal met een toenemende snelheid uitdijt. Binnen de steady-state theorie werd dat opgelost met de mogelijkheid van meerdere big bangs waardoor er onbeperkt meer materie bijgemaakt kon worden.

Het oscillerende heelal. Een theorie waarin het heelal uit meerdere big bangs is ontstaan. Tussen iedere big bang bestaat er een big crunch (ineenstorting van het heelal als gevolg van de zwaartekracht). Na een big crunch ontstaat er via een big bang een nieuw heelal. Zo krijgt het heelal een pulserend effect (Big Bounce).

Chaotische inflatie. Een theorie waarin ons heelal een van de talloze loten is aan een oneindige grote kosmische multiversum-boom. Als er meerdere multiversa zijn zullen deze door de uitdijing kruisen. Hierdoor ontstaan nieuwe centra, nieuwe big bangs en een nieuw super heelal.

Big Bang (Big Expansion) Theory:

De Big Bang theorie is grotendeels gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie van Einstein. De Big Bang theorie veronderstelt dat het heelal 13.8 miljard geleden ontstond uit een enorm hete punt (singulariteit) met een oneindig grote dichtheid. Met de oerknal ontstond zowel tijd als ruimte. Het beeld van de oerknal kan worden gezien als een grote ballon die zich opblaast. De term inflatie wordt verkregen vanuit dat beeld. De bewijzen voor een uitdijend heelal zijn de roodverschuivingen van de spectraallijnen (sterrenstelsels die van elkaar af bewegen komen steeds verder uit elkaar te liggen), het dopplereffect, het licht van verre sterrenstelsels. De naam Big Bang is door Hoyle bedacht die spottend was over de Big Bang theorie. Hoyle was voorstander van de Steady-State theorie. George Lemaitre was de grondlegger van de Big Bang theorie. De algemene relativiteitstheorie spreekt de Big Bang Theorie gedeeltelijk tegen. Een oneindig grote dichtheid is tegenstrijdig aan de natuurwetten. De uitdijing van het heelal wordt gezien als Einsteins grootste blunder. Het heelal bleek toch niet statisch te zijn (kosmologische constante). De wet van Hubble liet zien dat het heelal wel degelijk in toenemende mate uitdijt. Uit de observaties bleken er nauwelijks blauwe verschuivingen te zijn (naar je toe bewegende sterrenstelsels) en het heelal vooral bestaat uit rode verschuivingen (van je af bewegende sterrenstelsels).

O.a. met de wet van Hubble kun je tot ongeveer 10-43 seconde na de oerknal de tijd terug extrapoleren (plancktijd). Gebaseerd op metingen van de uitbreiding van Type Ia-supernova’s, metingen van temperatuurfluctuaties in de kosmische achtergrondstraling en metingen van de correlatiefunctie van melkwegen, heeft het universum een berekende leeftijd van 13,772 ± 0,059 miljard jaar. De overeenkomst van deze drie onafhankelijke metingen moedigt sterk het standaardmodel van de oerknal (Lambda-CDM-model) aan dat in detail de inhoud van het universum beschrijft. In 2013 corrigeerden nieuwe data van de ruimtetelescoop Planck deze leeftijd tot 13,798 ± 0,037 miljard jaar.

De geboorte en de eerste levensjaren waren enorm heet (sterke energiedichtheid) waarop een sterke afkoeling en uitbreiding plaatsvond. Na de exponentiele groeifase en inflatie ontstonden er quark-gluon plasma en andere elementaire deeltjes. Door de hoge temperaturen ontstonden door botsingen een asymetrische reactie tussen materie en anti materiedeeltjes (baryogenese). Materie kreeg de overhand op anti materie deeltjes (quarks vs. antiquarks, leptonen vs. antileptonen). Na ongeveer 10-6 seconden combineerden quarks en gluonen zich om baryonen te vormen zoals protonen en neutronen. Deze protonen en neutronen vinden we terug in de atomen. Neutronen  en protonen vormen de kern van een atoom, protonen zijn de enkele positieve geladen deeltjes en vormen bijv. de H in waterstof. Elektronen zijn de negatief geladen deeltjes en ‘bewegen’ om de kern. Protonen en neutronen bestaan weer uit quarks en gluonen.

Een vergelijkbaar proces verliep tussen elektronen en positronen. Er ontstond een dominantie (overwicht) van fotonen (met een kleine groep neutrinos) op de elektronen en positronen. Bij een miljard graden Kelvin versmolten neutrino’s met protonen om deuterium en helium atoomkernen te vormen in een proces genaamd oerknal-nucleosynthese. De meeste protonen bleven ongepaarde waterstofatoomkernen. Na 379.000 begonnen deze waterstofatoomkernen zich te binden met elektronen waardoor waterstof ontstond. De straling (isotopen) ontkoppelde zich van de atomen en ging ongehinderd de ruimte in. Deze straling noemen we kosmische achtergrondstraling. De zichtbare ‘normale’ materie die we kunnen observeren noemen we: Baryonen en bestaan voor 5% uit het totale heelal.

De materie verspreide zich zeer egaal door een gravitationeel sneeuwbaleffect waardoor er grote gaswolken ontstonden die zich uitkristalliseerde tot sterrenstelsels, sterren en andere astronomische structuren. Tijdens dit proces zorgde de donkere materie dat eenheden en astronomische structuren bij elkaar bleven ‘klonteren’. Donkere materie wordt verondersteld te bestaan omdat de zichtbare materie (baryonen) onvoldoende gewicht hebben om de zwaartekrachtbanen van sterrenstelsels om het gemeenschappelijke zwaartepunt te kunnen verklaren. Het heelal bestaat uit 22% donkere materie (is de veronderstelling). Er wordt versteld dat de donkere materie koude materie is en de zichtbare (baryonen) bestaat uit warme materie (neutrino’s).

Het heelal wordt gedomineerd door donkere energie (74%). Dat betekent dat 74% van de energiedichtheid bestaat uit energie die we niet kunnen waarnemen. De generieke relativiteitstheorie (meest grote niveau) en de kwantummechanica (deeltjes, meest kleine niveau) kunnen nog geen goede verklaringen geven van de geboorte van het heelal. Bovendien spreken de beide theorieën elkaar soms tegen. Daarom zijn wetenschappers op zoek naar de theory of everything, waarbij deze theorieën samenvallen in een theorie die de hele fysische historie van het heelal kan beschrijven. De snarentheorie doet daar een poging toe.

Hoewel singulariteit ter discussie staat is het heelal vanaf 1 seconde na de geboorte zeer gedetailleerd beschreven. De temperatuur wordt geschat op 10 miljard graden Celsius, de elementen die zijn gevormd zijn helium, lithium en waterstof. Nauwkeuriger gezegd de isotopen waterstof, deuterium, tritium, helium-3, helium-4 en lithium-7. De theorie voorspelde dat de gewichtsverhouding helium en waterstof 1:3 zou zijn, heel dicht bij de huidige waargenomen samenstelling.

De verre toekomst van het heelal kent verschillende mogelijkheden:

  • The Big RIP: het heelal zal eeuwig versneld toenemen tot dat het uit elkaar scheurt. de afstanden tussen sterrenstelsels zullen onnoemlijk groot worden. Uiteindelijk zullen de kernen uit elkaar vallen.
  • The Big Crunch: de snelheid van uitdijing zal afnemen en door de zwaartekracht afgeremd worden. Je krijgt een omgekeerde Big Bang. Een soort deflatie.
  • Big Freeze/Chill: het heelal zal eeuwig uitdijen en de warmte-energie zal zich zo verspreiden dat het heelal zijn energie verliest. Alle moleculen en atomen komen stil te staan.
  • Multiversum: Het heelal zal uitbreiden, maar meerdere heelal breiden zich uit waardoor ze elkaar kruisen.
Advertenties