Laatste theorie Hawking-Hertog gepubliceerd: universum is eindig en eenvoudiger dan gedacht

De laatste theorie van professor Stephen Hawking over het ontstaan van het universum, is vandaag gepubliceerd. Hawking heeft een twintigtal jaar aan de theorie gewerkt in samenwerking met professor Thomas Hertog van de KU Leuven. De nieuwe theorie is gebaseerd op de snaartheorie, en trekt het idee van een divers en chaotisch multiversum in twijfel. In de plaats daarvan voorspelt ze dat het multiversum eindig is, met een beperkt aantal universums, en veel eenvoudiger dan veel hedendaagse theorieën over de big bang stellen. Dat moet het makkelijker maken voor natuurkundigen om voorspellingen te maken gebaseerd op de nieuwe theorie, en die te testen.

In de jaren 80 ontwikkelde Hawking samen met de Amerikaanse natuurkundige James Hartle een nieuw idee over het begin van het universum. Dat loste een probleem op met de theorie van Albert Einstein die stelde dat het universum bijna 14 miljard jaar geleden ontstond, maar die geen verklaring gaf over hoe dat in zijn werk zou zijn gegaan. 

Het Hartle-Hawking-idee vertrok van een andere theorie, de kwantummechanica, om te verklaren hoe het universum uit niets kon ontstaan. 

Daarmee loste hun idee een probleem op, maar het creëerde er wel een ander, een oneindig aantal andere problemen volgens sommigen. Toen natuurkundigen het idee begonnen te analyseren, bleek immers dat een implicatie ervan was dat de big bang niet slechts één universum zou creëren maar een eindeloze reeks universums. 

Een aantal verschillende universums, zogenoemde bubble- of pocket-universums.

Vergezocht maar theoretisch mogelijk

Het bestaan van een eindeloze reeks universums heeft verstrekkende gevolgen. Sommige van die universums zouden, volgens de Hartle-Hawking-theorie, erg op het onze lijken, en misschien zelfs aardachtige planeten hebben, beschavingen, en zelfs individuen die lijken op die in ons universum. 

Andere universums zouden op een subtiele manier anders zijn, de BBC geeft als voorbeeld een aardachtige planeet waar de dinosaurussen nooit uitgeroeid zijn en voort geëvolueerd zijn. En er zouden universums zijn die volledig anders zijn dan het onze, zonder op de aarde lijkende planeten, mogelijk zonder sterrenstelsels en zonder sterren, en met compleet verschillende natuurkundige wetten. 

Het lijkt vergezocht, maar de vergelijkingen in de theorie maken dergelijke scenario's theoretisch mogelijk. In een oneindig multiversum met een eindeloze reeks universums, zijn de mogelijkheden ook eindeloos. 

En dat geeft problemen: als er een oneindige reeks verschillende universums is met eindeloze variaties in hun natuurkundige wetten, kan de theorie niet voorspellen in welk soort universum we ons zouden moeten bevinden.

Hawking ging daarom samenwerken met professor Thomas Hertog van de KU Leuven, om dat probleem op te lossen. "Noch Stephen noch ik waren gelukkig met dat scenario", zo zei Hertog aan BBC News. "Het doet veronderstellen dat het multiversum op een willekeurige manier verschenen is, en dat we daar niet erg veel over kunnen zeggen. We zeiden elkaar: "Misschien moeten we daar maar mee leren leven", maar we wilden toch niet opgeven."

Tijdlijn van de geschiedenis van het universum, van het vrijgeven van de kosmische achtergrondstraling, het oudste licht in de kosmos (links), tot de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels (midden en rechts). (Foto: ESA-C.Carreau)

Mozaïek van pocket-universums

In een interview met de European Research Council (ERC), die het onderzoek van Hertog steunt met een beurs, verwoordde Thomas Hertog het als volgt:

"Volgens de gangbare theorie van de oerknal is niet enkel ons eigen universum ontstaan uit de oerknal, maar ook vele andere universums, het zogenoemde multiversum. Je zou je dit multiversum kunnen voorstellen als een mozaïek van pocket-universums, een beetje zoals luchtbellen in kokend water. De wetten van de fysica en chemie kunnen verschillen van de ene tot de andere pocket. Sommige pockets bevatten sterren en herbergen leven, andere pockets zijn dan weer zo goed als leeg."

"Deze theorie leert ons weinig over ons eigen universum. Als het scala aan pocket-universums in het multiversum oneindig groot is, dan is alles mogelijk. Bijgevolg voorspelt deze theorie niet in wat voor heelal wij ons zouden moeten bevinden, waardoor ze ook niet degelijk getest kan worden." 

"Anderzijds valt een multiversum moeilijk helemaal te vermijden. Elk model van de oerknal dat gebaseerd is op de kwantumtheorie zal in zekere mate indeterministisch zijn. De grote uitdaging voor de moderne kosmologie is om het multiversum op rigide wiskundige gronden te plaatsen en het zo te kneden tot een gedegen falsifieerbare (testbare) wetenschappelijke theorie. Met onze publicatie zetten Stephen en ik een stap in die richting."

Professor Thomas Hertog (Foto: KU Leuven/Rob Stevens).

Populair multiversum

De oude theorie van het multiversum is populair geworden, ook al zijn er veel nadelen aan verbonden. Hertog legt aan de ERC uit hoe dat komt:

"Het multiversum is populair en in zekere mate aantrekkelijk geworden omdat vermoed werd dat het onlosmakelijk verbonden is met de theorie van kosmische inflatie. Die zegt dat het universum in de eerste fase van zijn evolutie in een steeds hoger tempo uitdijt. Deze inflatie leidt tot een patroon van variaties in de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van de oerknal. De Planck-satelliet van de ESA heeft gedetailleerde beelden gemaakt van deze achtergrondstraling waarin men effectief de variaties die overeenstemmen met wat de inflatietheorie voorspelt, heeft gevonden."

"Een belangrijke kanttekening daarbij is echter dat de inflatietheorie op zichzelf de details van dit patroon niet voorspelt. En de theorie van het multiversum met al zijn verschillende pocket-universums maakt de situatie alleen maar erger. Je zou ons werk kunnen zien als een vervollediging van de inflatietheorie. Het scherpt de voorspellingen van de theorie aan en het beschrijft hoe inflatie zelf ontstaat."

Voorstelling van de expansie of inflatie van het heelal. (Foto: NASA).

Snaartheorie

Hawking en Hertog hebben nu dat probleem opgelost door wiskundige technieken te gebruiken die ontwikkeld zijn om een andere moeilijke tak van de fysica te bestuderen, namelijk de snaartheorie.

Die technieken laten de onderzoekers toe om natuurkundige theorieën op een andere manier te bekijken. En Hawking en Hertog komen tot een conclusie die de orde herstelt in een tot nu toe chaotisch multiversum. "We voorspellen dat ons universum, op de grootste schaal,  redelijk gelijkmatig is en algemeen eindig. Dus het is geen fractale structuur", zei Hawking aan de ERC.  Fractalen zijn gril­li­ge meet­kun­di­ge fi­guren, die ont­staan door het uit­zet­ten van pun­ten die de uit­kom­sten weer­ge­ven van een for­mu­le die ve­le ma­len op zijn ei­gen uit­komst wordt toe­ge­past. Sommige fractalen geven steeds hetzelfde beeld, op welke vergroting ze ook bekeken worden.

De nieuwe theorie stelt dus weliswaar nog steeds een multiversum voor, dat echter eindig is, met een eindig aantal universums, en veel eenvoudiger dan de oneindige fractale structuur die de oude theorie van de eeuwige inflatie voorspelde. 

Holografie

"In onze theorie wordt het enorme multiversum gereduceerd tot een veel meer hanteerbaar en kleiner scala aan mogelijke universums. Dit maakt dat de theorie meer voorspellende kracht heeft en dus ook beter te testen zal zijn", zei Hertog aan de ERC. "Ons model is gebaseerd op de snaartheorie, een tak van de theoretische fysica die de algemene relativiteitstheorie tracht te verzoenen met de kwantumfysica. We maken gebruik van een nieuw concept binnen de snaartheorie, holografie. Die stelt dat het universum een heel groot en complex hologram is. Holografie in de snaartheorie is een techniek die toelaat om de fysische realiteit in bepaalde 3D-ruimtes mathematisch voor te stellen in termen van 2D-projecties op een oppervlak."

"Wanneer we dit toepassen in de kosmologie, stelt holografie ons in staat om de tijdsdimensie te "projecteren". We doen dit in ons werk met alles wat er in de gangbare theorie "voor" de oerknal gebeurde. Onze notie van tijd wordt dankzij die holografische projectie een emergent fenomeen in de theorie. Tijd komt tot stand – kristalliseert als het ware -- vanuit een tijdloze "holografische" toestand bij de oerknal."

"We hebben vervolgens berekend wat voor soort universums er zoal kunnen ontstaan vanuit die holografische oerknal. We stellen vast dat het scala van mogelijke universums veel beperkter is, en dat de fractale structuur met pocket-universums die voorspeld werd door de oude theorie, verdwenen is."

Een Julia-verzameling, samen met de Mandelbrot-verzameling zowat de bekendste fractal of fractaal.

Zwaartekrachtgolven en kosmische achtergrondstraling

Aangezien de nieuwe theorie meer voorspellingen kan doen, en dus ook beter getest kan worden, is Hertog nu van plan om de implicaties van de theorie op een kleinere schaal te testen, een schaal die binnen het bereik moet liggen van onze ruimtetelescopen. 

"Om theorieën van het prille heelal te testen, kunnen we hun voorspellingen vergelijken met kosmologische waarnemingen met behulp van satellieten. Ik denk hierbij in de eerste plaats aan gedetailleerde metingen van de kosmische achtergrondstraling, maar ook aan waarnemingen die de vorming en verdeling van sterrenstelsels in kaart brengen."

"Ik ben van plan om de komende maanden in meer detail te bestuderen wat de nieuwe theorie ons vertelt over eigenschappen van ons universum die binnen het bereik van onze ruimtetelescopen liggen. Ik vermoed bijvoorbeeld dat de oerknal gepaard gaat met zwaartekrachtgolven die via de inflatiefase een invloed hebben op de patronen van de kosmische achtergrondstraling", zei Hertog. 

Als we die zouden vinden, zou dat een veelbelovende "smoking gun" zijn, volgens Hertog. Door de expansie van het universum sinds de oerknal zouden dergelijke zwaartekrachtgolven nu zeer lange golflengten hebben, die buiten het bereik liggen van de huidige LIGO-detectoren voor dergelijke golven. Maar ze zouden wel ontdekt kunnen worden door het geplande Europese observatorium voor zwaartekrachtgolven in de ruimte, LISA, of in toekomstige experimenten die de kosmische achtergrondstraling nauwkeurig meten. 

Een kaart van de kosmische achtergrondstraling en de kleine verschillen die er in terug te vinden zijn (kleurverschillen) (Foto: NASA/WMAP)

75e verjaardag

De nieuwe theorie werd voor het eerst aangekondigd op een conferentie in Cambridge ter gelegenheid van de 75e verjaardag van Stephen Hawking. 

Het artikel dat nu gepubliceerd is, "A smooth exit from eternal inflation?" werd voor publicatie aangeboden tien dagen voor het overlijden van Hawking. Het is nu gepubliceerd in "The Journal of High-Energy Phycics".

Interview dat professor Hertog gegeven heeft aan de European Research Council.

Stephen Hawking, James Hartle and Thomas Hertog leggen hun model van het vroege universum uit