Dark Energy is mogelijk onverenigbaar met snaartheorie

*Martin Knops: een artikel uit 2018, maar nog steeds actueel van Natalie Wolchover. Zie voor meer info, onderaan het artikel.

Een controversieel nieuw artikel stelt dat universums met donkere energieprofielen zoals de onze niet bestaan in het “landschap” van universums die door de snaartheorie worden toegestaan.

Snaartheorie maakt een “landschap” van mogelijke universums mogelijk, omgeven door een “moerasland” van logisch inconsistente universums. In alle eenvoudige, levensvatbare, vezelige universums die natuurkundigen hebben bestudeerd, neemt de dichtheid van donkere energie af of heeft deze een stabiele negatieve waarde, in tegenstelling tot ons universum, dat een stabiele positieve waarde lijkt te hebben.

Op 25 juni werd Timm Wrase wakker in Wenen en scrolde duizelig door een online opslagplaats van nieuw geposte natuurkundedocumenten. Een titel deed hem volledig bij bewustzijn schrikken.

De krant, door de prominente snaartheoreticus Cumrun Vafa van de Harvard University en medewerkers, vermoedde een eenvoudige formule die dicteerde welke soorten universums mogen bestaan en welke volgens de snaartheorie verboden zijn. De snaartheorie is de belangrijkste kandidaat voor een “theorie van alles” die de zwaartekracht samen met de kwantumfysica weeft. De snaartheorie definieert alle materie en krachten als trillingen van kleine energiestrengen. De theorie laat zo’n 10500 verschillende oplossingen toe: een enorm, gevarieerd “landschap” van mogelijke universums. Snaartheoretici als Wrase en Vafa streven er al jaren naar om ons specifieke universum ergens in dit landschap van mogelijkheden te plaatsen.

Maar nu dachten Vafa en zijn collega’s dat in het stringlandschap universums zoals de onze – of hoe de onze wordt verondersteld eruit te zien – niet bestaan. Als het vermoeden klopt, realiseerden Wrase en andere snaartheoretici zich onmiddellijk tot de conclusie dat de kosmos ofwel diepgaand anders moet zijn dan eerder werd aangenomen, of dat de snaartheorie verkeerd moet zijn.

Nadat hij zijn kleuter die ochtend had afgezet, ging Wrase werken aan de Technische Universiteit van Wenen, waar zijn collega’s ook zoemden over de krant. Diezelfde dag presenteerde Vafa in Okinawa, Japan, het vermoeden op de Strings 2018-conferentie, die werd gestreamd door natuurkundigen over de hele wereld. Het debat brak on- en off-site uit. “Er waren mensen die onmiddellijk zeiden:‘ Dit moet verkeerd zijn ’, andere mensen die zeiden:‘ Oh, ik zeg dit al jaren, ’en alles in het midden,’ zei Wrase. Er was verwarring, voegde hij eraan toe, maar “natuurlijk ook enorme opwinding. Want als dit vermoeden juist was, dan heeft het veel geweldige implicaties voor de kosmologie. ”

Onderzoekers zijn aan het werk gegaan om het vermoeden te testen en de implicaties ervan te onderzoeken. Wrase heeft al twee papers geschreven, waaronder een die kan leiden tot een verfijning van het vermoeden, en beide meestal tijdens een vakantie met zijn gezin. Hij herinnerde zich dat hij dacht: ‘Dit is zo opwindend. Ik moet dat verder werken en studeren. ”

De vermoedelijke formule – gesteld in het artikel van 25 juni door Vafa, Georges Obied, Hirosi Ooguri en Lev Spodyneiko en verder onderzocht in een tweede artikel dat twee dagen later werd uitgebracht door Vafa, Obied, Prateek Agrawal en Paul Steinhardt – zegt eenvoudigweg dat de universum breidt uit, de energiedichtheid in het vacuüm van lege ruimte moet sneller dan een bepaald tempo afnemen. De regel lijkt waar te zijn in alle eenvoudige op snaartheorie gebaseerde modellen van universums. Maar het schendt twee wijdverbreide opvattingen over het werkelijke universum: het acht zowel het geaccepteerde beeld van de huidige expansie van het universum als het leidende model van zijn explosieve geboorte onmogelijk.

Donkere energie in kwestie

Sinds 1998 hebben telescoopwaarnemingen aangegeven dat de kosmos steeds iets sneller uitdijt, wat impliceert dat het vacuüm van de lege ruimte moet worden doordrenkt met een dosis gravitatie-afstotende “donkere energie”.

Bovendien lijkt het erop dat de hoeveelheid donkere energie die in de lege ruimte wordt ingebracht, in de loop van de tijd constant blijft (zoals iedereen kan zien).

Maar het nieuwe vermoeden stelt dat de vacuümenergie van het universum moet afnemen.

Vafa en collega’s beweren dat universums met stabiele, constante, positieve hoeveelheden vacuümenergie, bekend als “de Sitter-universums”, niet mogelijk zijn. Snaartheoretici hebben enorm geworsteld sinds de ontdekking van Dark Energy in 1998 om overtuigende stringy-modellen van stabiele de Sitter-universums te construeren. Maar als Vafa gelijk heeft, zullen dergelijke inspanningen ongetwijfeld in logische inconsistentie verzinken; de Sitter-universums liggen niet in het landschap, maar in het ‘moerasgebied’. “De dingen die er consistent uitzien, maar uiteindelijk niet consistent zijn, noem ik ze moerasland”, legde hij onlangs uit. “Ze zien er bijna uit als landschap; u kunt door hen voor de gek gehouden worden. Je denkt dat je ze moet kunnen construeren, maar dat lukt niet. ”

Cumrun Vafa, een vooraanstaand snaartheoreticus aan de Harvard University, brengt al 13 jaar het verboden “moerasland” van onmogelijke universums in kaart. Hayward fotografie.

Volgens dit ‘de Sitter moerasland-vermoeden’ moet in alle mogelijke, logische universums de vacuümenergie ofwel aan het dalen zijn, ofwel de waarde ervan als een bal die van een heuvel af rolt, ofwel een stabiele negatieve waarde hebben gekregen. (Zogenaamde ‘anti-de Sitter’-universums, met stabiele, negatieve doses vacuümenergie, zijn gemakkelijk te construeren in de snaartheorie.)

Het vermoeden, indien waar, zou betekenen dat de dichtheid van donkere energie in ons universum niet constant kan zijn, maar in plaats daarvan een vorm moet aannemen die “quintessence” wordt genoemd – een energiebron die geleidelijk zal afnemen over tientallen miljarden jaren. Er zijn nu verschillende telescoopexperimenten aan de gang om nauwkeuriger te onderzoeken of het universum zich uitbreidt met een constante versnellingssnelheid, wat zou betekenen dat naarmate er nieuwe ruimte wordt gecreëerd, er een evenredige hoeveelheid nieuwe donkere energie mee ontstaat, of dat de kosmische versnelling geleidelijk plaatsvindt. veranderen, zoals in quintessence-modellen. Een ontdekking van kwintessens zou een revolutie teweegbrengen in de fundamentele fysica en kosmologie, inclusief het herschrijven van de geschiedenis en toekomst van de kosmos. In plaats van uit elkaar te vallen in een Big Rip, zou een quintessent universum geleidelijk vertragen en in de meeste modellen uiteindelijk stoppen met uitzetten en samentrekken in een Big Crunch of Big Bounce.

Paul Steinhardt, een kosmoloog aan de Princeton University en een van Vafa’s co-auteurs, zei dat in de komende jaren ‘alle ogen gericht moeten zijn’ metingen door de Dark Energy Survey, WFIRST en Euclid telescopen om te bepalen of de dichtheid van donkere energie veranderen. “Als je merkt dat het niet in overeenstemming is met kwintessens,” zei Steinhardt, “dan betekent het dat het idee van het moerasland verkeerd is, of dat de snaartheorie fout is, of beide fout zijn, of – er is iets mis.”

Inflatie onder vuur

Niet minder dramatisch, het nieuwe vermoeden van moerasland doet ook twijfels rijzen over het algemeen aangenomen verhaal van de geboorte van het universum: de oerknaltheorie die bekend staat als kosmische inflatie. Volgens deze theorie werd een minuscuul, met energie doordrenkt stipje ruimte-tijd snel opgeblazen om het macroscopische universum te vormen dat we bewonen. De theorie is bedacht om gedeeltelijk uit te leggen hoe het universum zo enorm, glad en plat werd.

“Misschien beschrijft de snaartheorie de wereld niet. [Misschien] heeft donkere energie het vervalst.”

Maar het hypothetische ‘opblaasveld’ van energie dat zogenaamd de kosmische inflatie dreef, past niet goed bij Vafa’s formule. Om aan de formule te voldoen, zou de energie van het opblaasveld waarschijnlijk te snel moeten afnemen om een glad en vlak genoeg universum te vormen, legden hij en andere onderzoekers uit. Het vermoeden veroordeelt dus veel populaire modellen van kosmische inflatie. In de komende jaren zullen telescopen zoals de Simons Observatory op zoek gaan naar definitieve kenmerken van kosmische inflatie en deze toetsen aan rivaliserende ideeën.

In de tussentijd zullen snaartheoretici, die normaal gesproken een verenigd front vormen, het oneens zijn over het vermoeden. Eva Silverstein, hoogleraar natuurkunde aan de Stanford University en een leider in de poging om snaartheoretische modellen van inflatie te construeren, denkt dat het zeer waarschijnlijk onjuist is. Haar man, de Stanford-professor Shamit Kachru, ook; hij is de eerste “K” in KKLT, een beroemd artikel uit 2003 (bekend onder de initialen van de auteurs) dat een reeks draderige ingrediënten suggereerde die zouden kunnen worden gebruikt om de Sitter-universums te construeren. De formule van Vafa zegt dat zowel de constructies van Silverstein als die van Kachru niet zullen werken. “We worden belegerd door deze vermoedens in onze familie,” grapte Silverstein. Maar in het licht van de nieuwe kranten zijn modellen voor versnellende expansie in haar ogen niet meer ongunstig dan voorheen. “Ze speculeren in wezen gewoon dat die dingen niet bestaan, waarbij ze zeer beperkte en in sommige gevallen zeer dubieuze analyses aanhalen,” zei ze.

Matthew Kleban, een snaartheoreticus en kosmoloog aan de New York University, werkt ook aan vezelige modellen van inflatie. Hij benadrukt dat het nieuwe vermoeden van moerasland zeer speculatief is en een voorbeeld van ‘lantaarnpaalredenen’, aangezien een groot deel van het touwlandschap nog moet worden verkend. En toch erkent hij dat, op basis van bestaand bewijs, het vermoeden wel eens waar zou kunnen zijn. “Het zou waar kunnen zijn over de snaartheorie, en misschien beschrijft de snaartheorie de wereld niet”, zei Kleban. “[Misschien] heeft donkere energie het vervalst. Dat zou natuurlijk heel interessant zijn. ”

Het moerasland in kaart brengen

Of het vermoeden van het moerasgebied van de Sitter en toekomstige experimenten echt de kracht hebben om de snaartheorie te vervalsen, valt nog te bezien. De ontdekking in de vroege jaren 2000 dat de snaartheorie zoiets als 10500 oplossingen heeft, deed de droom kapot dat het de eigenschappen van ons ene universum op unieke en onvermijdelijke wijze zou kunnen voorspellen. De theorie leek bijna alle waarnemingen te ondersteunen en werd erg moeilijk om experimenteel te testen of te weerleggen.

In 2005 begonnen Vafa en een netwerk van medewerkers na te denken over hoe ze de mogelijkheden konden verkleinen door fundamentele kenmerken van de natuur in kaart te brengen die absoluut waar moeten zijn. Hun ‘vermoeden van zwakke zwaartekracht’ beweert bijvoorbeeld dat zwaartekracht altijd de zwakste kracht in elk logisch universum moet zijn. Voorgestelde universums die niet aan dergelijke eisen voldoen, worden vanuit het landschap het moerasgebied in geslingerd. Veel van deze vermoedens van moerasland hebben een beroemde stand gehouden tegen aanvallen, en sommige hebben nu “een zeer solide theoretische basis”, zei Hirosi Ooguri, een theoretisch fysicus aan het California Institute of Technology en een van Vafa’s eerste moeraslandmedewerkers. Het vermoeden van de zwakke zwaartekracht heeft bijvoorbeeld zoveel bewijs verzameld dat het nu algemeen wordt vermoed, ongeacht of de snaartheorie de juiste theorie van de kwantumzwaartekracht is.

De intuïtie over waar het landschap eindigt en het moerasland begint, komt voort uit tientallen jaren van inspanning om draderige modellen van universums te construeren. De belangrijkste uitdaging van dat project was dat de snaartheorie het bestaan van 10 ruimte-tijddimensies voorspelt – veel meer dan duidelijk is in ons 4-D universum. Snaartheoretici stellen dat de zes extra ruimtelijke dimensies klein moeten zijn – op elk punt strak opgerold. Het landschap komt voort uit alle verschillende manieren om deze extra dimensies te configureren. Maar hoewel de mogelijkheden enorm zijn, hebben onderzoekers als Vafa ontdekt dat er algemene principes naar voren komen. De opgerolde dimensies willen bijvoorbeeld meestal zwaartekracht naar binnen samentrekken, terwijl velden zoals elektromagnetische velden de neiging hebben om alles uit elkaar te duwen. En in eenvoudige, stabiele configuraties worden deze effecten gecompenseerd door negatieve vacuümenergie, waardoor anti-Sitter-universums worden geproduceerd. De vacuümenergie positief veranderen is moeilijk. “Gewoonlijk hebben we in de natuurkunde eenvoudige voorbeelden van algemene verschijnselen”, zei Vafa. “De Sitter is niet zoiets.”

De KKLT-paper, door Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde en Sandip Trivedi, suggereerde vezelige attributen zoals ‘fluxen’, ‘instantonen’ en ‘anti-D-branen’ die mogelijk zouden kunnen dienen als hulpmiddelen voor het configureren van een positieve, constante vacuümenergie. Deze constructies zijn echter gecompliceerd en door de jaren heen zijn mogelijke instabiliteiten vastgesteld. Hoewel Kachru zei dat hij “geen enkele serieuze twijfel” heeft, zijn veel onderzoekers gaan vermoeden dat het KKLT-scenario toch geen stabiele de Sitter-universums oplevert.

Vafa denkt dat een gezamenlijke zoektocht naar absoluut stabiele de Sitter-universummodellen al lang had moeten duren. Zijn vermoeden is vooral bedoeld om de kwestie onder de aandacht te brengen. Volgens hem hebben snaartheoretici zich niet voldoende gemotiveerd gevoeld om erachter te komen of de snaartheorie echt in staat is om onze wereld te beschrijven, maar in plaats daarvan de houding aan te nemen dat omdat het snarenlandschap enorm is, er een plaats voor ons moet zijn, ook al is dat niet het geval. men weet waar. “Het grootste deel van de gemeenschap in de snaartheorie staat nog steeds aan de kant van de Sitter-constructies [bestaande],” zei hij, “omdat de overtuiging is:” Kijk, we leven in een de Sitter-universum met positieve energie; daarom kunnen we maar beter voorbeelden van dat type hebben. ”

Zijn vermoeden heeft de gemeenschap tot actie aangezet, waarbij onderzoekers zoals Wrase op zoek zijn naar stabiele tegenvoorbeelden van de Sitter, terwijl anderen spelen met weinig onderzochte vezelige modellen van quintessente universums. ‘Ik zou net zo graag willen weten of het vermoeden waar of niet waar is,’ zei Vafa. “De vraag stellen is wat we zouden moeten doen. En bewijs voor of tegen vinden – zo boeken we vooruitgang. ”

Dit artikel is herdrukt op TheAtlantic.com en Spektrum.de.


Gerelateerd:

  1. In Fake Universes, Evidence for String Theory
  2. Why the Tiny Weight of Empty Space Is Such a Huge Mystery
  3. Is Nature Unnatural?
  4. Why Is M-Theory the Leading Candidate for Theory of Everything?
  5. In a Multiverse, What Are the Odds?

Een artikel van:

Natalie Wolchover.

Quanta Magazine.


Geef een reactie