Mike Workman/Shutterstock
Het idee van een multiversum bestaande uit “parallelle universa” is een populaire sciencefiction-troop, die onlangs werd verkend in de Oscarwinnende film Everything Everywhere All At Once. Het ligt echter binnen het bereik van de wetenschappelijke mogelijkheden.
Het is belangrijk om vanaf het begin te stellen dat het bestaan (of niet) van het multiversum een gevolg is van ons huidige begrip van de fundamentele wetten van de fysica – het is niet ontsproten aan het brein van grillige natuurkundigen die te veel sciencefictionboeken lezen.
Er zijn verschillende versies van het multiversum. De eerste en misschien wel populairste versie komt uit de kwantummechanica, die de wereld van atomen en deeltjes beheerst. Het suggereert dat een deeltje in vele mogelijke toestanden tegelijk kan verkeren – totdat we het systeem meten en het er één kiest. Volgens één interpretatie worden alle kwantummogelijkheden die wij niet hebben gemeten, gerealiseerd in andere universa.
Eeuwige inflatie
De tweede versie, het kosmologisch multiversum, ontstaat als gevolg van de kosmische inflatie. Om het feit te verklaren dat het universum er tegenwoordig overal ongeveer hetzelfde uitziet, stelde de natuurkundige Alan Guth in 1981 voor dat het vroege universum een periode van versnelde uitdijing onderging. Tijdens deze periode van inflatie werd de ruimte zodanig uitgerekt dat de afstand tussen twee willekeurige punten sneller dan de lichtsnelheid uit elkaar werd gedrukt.
Dit artikel gaat vergezeld van een podcastserie genaamd Great Mysteries of Physics, waarin de grootste mysteries waar natuurkundigen vandaag de dag mee te maken hebben aan het licht komen – en de radicale voorstellen om ze op te lossen worden besproken.
De inflatietheorie voorspelde ook het bestaan van oerzaadjes die uitgroeiden tot kosmologische structuren zoals sterren en sterrenstelsels. Dit werd in 2003 triomfantelijk ontdekt door waarnemingen van minuscule temperatuurschommelingen in de kosmische microgolf-achtergrond, het licht dat is overgebleven van de oerknal. Het werd vervolgens met exquise precisie gemeten door de ruimte-experimenten WMAP en Planck.
Door dit opmerkelijke succes wordt kosmische inflatie nu door de meeste kosmologen beschouwd als de de facto theorie van het vroege heelal.
Maar er was een (misschien onbedoeld) gevolg van de kosmische inflatie. Tijdens de inflatie wordt de ruimte uitgerekt en gladgestreken over zeer grote schalen – meestal veel groter dan het waarneembare heelal. Toch moet de kosmische inflatie op een gegeven moment eindigen, anders had ons universum zich niet kunnen ontwikkelen tot wat het nu is.
Maar natuurkundigen realiseerden zich al snel dat als inflatie echt waar is, sommige regio’s van de ruimte-tijd zouden blijven opblazen, zelfs als de inflatie in de andere regio’s eindigde. De gebieden die blijven opblazen kunnen worden beschouwd als een apart, opblazend universum. Dit proces gaat oneindig door, waarbij opgeblazen universa nog meer opgeblazen universa voortbrengen en zo een multiversum van universa creëren.
Dit fenomeen wordt “eeuwige inflatie” genoemd. Voor het eerst beschreven door de natuurkundigen Paul Steinhardt en Alex Vilenkin in 1983, bleef de eeuwige inflatie een merkwaardig artefact van de kosmische inflatie tot het begin van de 21e eeuw, toen het werd gecombineerd met een idee uit de snaartheorie om een controversiële maar overtuigende verklaring te geven waarom onze natuurkundige wetten zijn wat ze nu zijn.
De snaartheorie is nog niet bewezen, maar het is momenteel onze beste hoop op een theorie van alles – een combinatie van kwantummechanica en zwaartekracht. Fysiek realistische snaartheorieën moeten echter tien of meer dimensies hebben (in plaats van onze normale drie ruimtelijke dimensies plus tijd). Om ons huidige universum te beschrijven, moeten dus zes of meer van deze dimensies “verdicht” zijn – zodanig opgekruld dat we ze niet kunnen zien.
Een slang is 3D, maar van een afstand kan het lijken op een eendimensionale lijn – met schijnbaar verdichte dimensies.
RootsShoots/Shutterstock
De wiskundige procedure hiervoor is bekend. Het probleem (sommigen zeggen misschien het kenmerk) van dit proces is dat er minstens 10500 manieren zijn om deze verdichting uit te voeren – en deze verbijsterend grote reeks mogelijkheden wordt het “snarenlandschap” genoemd. Elke verdichting levert een andere reeks natuurkundige wetten op, die mogelijk overeenkomen met een ander universum. Dit roept twee cruciale vragen op: waar bevinden we ons in het snarenlandschap, en waarom?
Eeuwige inflatie geeft een elegant antwoord op de eerste vraag: elk opblazend universum van het multiversum realiseert een ander punt in het snarenlandschap, dus alle mogelijke natuurkundige wetten kunnen ergens in het multiversum bestaan. Maar waarom is ons universum zo goed in het voortbrengen van intelligent leven zoals wij? Welnu, sommige universa zouden statistisch gezien op het onze moeten lijken – en wij leven in het universum waarin onze natuurkundige wetten de wetten zijn die wij waarnemen.
Deze opvatting is echter zeer controversieel – velen beweren dat het geen wetenschappelijk argument is en het heeft een intensief onderzoek uitgelokt.
Toetsbaarheid
De voor de hand liggende uitdaging met het multiversum is zijn waarneembaarheid. Stel dat het bestaat, is het dan mogelijk om de andere universa waar te nemen, zelfs in principe? Voor het kwantum multiversum is het antwoord nee – verschillende universa communiceren niet met elkaar. Maar in het inflatoire multiversum is het antwoord “ja, als we geluk hebben”.
Omdat de verschillende universa dezelfde fysieke ruimte innemen, zouden naburige universa in principe met elkaar kunnen botsen, en mogelijk relicten en afdrukken achterlaten in ons waarneembare universum. Een onderzoekssamenwerking onder leiding van Hiranya Peiris van het University College London en Matthew Johnson van het Perimeter Institute heeft aangetoond dat dergelijke botsingen inderdaad afdrukken achterlaten op de kosmische microgolfachtergrond (licht dat is overgebleven van de oerknal) waarnaar kan worden gezocht – hoewel deze sporen tot nu toe niet zijn gevonden.
De volgende uitdaging is theoretisch. Sommige theoretici hebben geopperd dat de meeste universa in het snarenlandschap eigenlijk mathematisch inconsistent zijn – niet in staat om te bestaan zoals ons universum dat doet. Zij bestaan in plaats daarvan in een moeras van oplossingen – en in het bijzonder lijken oplossingen van de snaartheorie die kosmische inflatie toestaan moeilijk te vinden.
Er bestaat grote onenigheid tussen snaartheoretici en kosmologen over de vraag of de snaartheorie inflatie kan beschrijven, zelfs in principe. Dit raadsel is zowel ergerlijk als opwindend – het suggereert dat een van de twee ideeën fout is, en een van beide zal leiden tot een revolutie in de theoretische fysica.
Tenslotte wordt de premisse zelf van de kosmische inflatie nu in twijfel getrokken. De raison d’etre van de kosmische inflatie is dat, ongeacht hoe het vroege heelal eruit zag, de inflatie de kosmos dynamisch zou drijven tot het gladde heelal dat we nu zien. Het is echter nooit nauwkeurig onderzocht of kosmische inflatie überhaupt kan beginnen.
Dit komt omdat de vergelijkingen die het begin van het proces beschrijven te ingewikkeld zijn om analytisch op te lossen. Maar deze vraag wordt nu rigoureus getest door verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld, waaronder de mijne aan King’s College London, waar de kracht van moderne high performance computing wordt ingezet om deze voorheen onoplosbare vergelijkingen op te lossen. Dus let op.
Eugene Lim ontvangt financiering van STFC, FQXI en Leverhulme Trust.
