multiversum

De waargenomen ring van gammaflitsen wijst op een structuur van vijf miljard lichtjaar doorsnee.

Vijf miljard lichtjaar grote ring grootste structuur ooit aangetroffen

Astronomen troffen een ring van gammaflitsen aan met een doorsnede van rond de vijf miljard lichtjaar. Deze ontdekking, die volgens mainstream kosmologische theorieën onmogelijk is, zet deze op zijn kop, zeggen de ontdekkers.

De structuur is ontdekt door een team van Hongaren en Amerikanen onder leiding van prof. Lajos Balász van het Konkoly Observatorium in Boedapest.

De waargenomen ring van gammaflitsen wijst op een structuur van vijf miljard lichtjaar doorsnee.
De waargenomen ring van gammaflitsen wijst op een structuur van vijf miljard lichtjaar doorsnee.

Het waarneembare heelal is honderd miljard lichtjaar in doorsnede en het heelal is, volgens recente schattingen, rond de 13,7 miljard jaar geleden ontstaan. Dat maakt wel duidelijk hoe absurd groot deze structuur is.

Gammaflitsen zijn extreem energierijke explosies,die in enkele seconden evenveel energie produceren als de zon in zijn gehele bestaan van tien miljard jaar. Astrofysici denken dat gammaflitsen ontstaan, as extreem zware sterren instorten tot zwart gat. Daarom kunnen gammaflitsen ook op miljarden lichtjaar afstand waargenomen worden en gebruiken astronomen gammaflitsen om de plaats van ver weg gelegen sterrenstelsels te bepalen.

Ring van gammaflitsen
De gammaflitsen die de nieuw ontdekte ring vormen, werden waargenomen door een groep satellieten en op aarde gebaseerde gammatelescopen. De plaatsen van oorsprong van de gammaflitsen lijken alle op een gelijke afstand van ons te staan – rond 7 miljard lichtjaar – in een cirkel met een doorsnede van 36 graden. Dat is meer dan zeventig maal de schijnbare doorsnede van de zon of de maan aan de hemel. Een werkelijk enorme structuur dus. Een eenvoudige berekening leert dan dat de ring een doorsnede van meer dan 5 miljard lichtjaar heeft. Volgens Balász is er minder dan 1:20.000 kans dat dit patroon door toeval ontstond. Als je door een bolschil heenkijkt, lijkt het op een ring. Planetaire nevels, bijvoorbeeld, zien er uit als ringen, maar zijn  in feite bolschillen gas van geëxplodeerde sterren. Het team denkt daarom dat het hier ook om een bolschilachtige structuur moet gaan.

Kosmologisch principe
Nu is er alleen een probleem. Volgens de bestaande kosmologische theorieën is deze ring tien maal zo groot als volgens standaard theorieën mogelijk is. De grootste structuren die in de kosmische achtergrondstraling werden gevonden, zijn maar een tiende van deze grootte. Het kosmologische principe stelt dat het heelal er overal ruwweg hetzelfde uitziet. Dat wil zeggen, dat als je bijvoorbeeld vijf miljard lichtjaar ver reist met oneindige snelheid en je kijkt om je heen, het heelal er ongeveer hetzelfde uitziet als hier.  Als er dergelijke structuren bestaan als dit, klopt dit niet meer.

Botsing met ander heelal?
Een mogelijkheid die niet geopperd is door Balász en zijn team, maar goed aan zou sluiten bij eerdere waarnemingen van enorme ringen, is een botsing met een ander heelal. Het heelal is volgens de heersende theorieën een vierdimensionale sfeer. Als het heelal bij het uitzetten botst met een ander heelal, zou de botsingszone er uitzien als een boloppervlak. Een fascinerende gedachte. Niet alleen dat er andere heelallen bestaan, maar ook dat we naar een ander heelal kunnen reizen.

Bron
L.G. Balász et al., A giant ring-like structure at 0.78 < z < 0.86 displayed by GRBs, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2015

Scene uit Somnolescence

Minifilm: Somnolescence

Het is 2030. De fossiele brandstoffen zijn uitgeput in een wereld die op instorten staat. De aarde vestigt haar hoop op het enorme internationale project AREN, dat een overvloedige en onuitputtelijke energiebron belooft. Er is alleen één maar. Bij het eerste serieuze experiment gaat er iets vreselijk mis, waardoor de poort naar een bizar alternatief universum wordt geopent. Dit bedreigt het voortbestaan van de aarde.

Hoewel het verhaal wat dunnetjes, is, zijn de special effects uitstekend.

En de vraag blijft interessant. Zijn er inderdaad alternatieve universa naast het onze? Welke gevolgen zou het hebben als er een doorgang naar een volkomen ander heelal met waarschijnlijk ook andere natuurwetten dan dat van ons, zou ontstaan? Mogen we wetenschappelijke experimenten doen, waarmee we het risico lopen ons heelal op te blazen?

Scene uit Somnolescence
Scene uit Somnolescence

Video: Multiversa

Bestaat er een heelal naast dit heelal? Gedachten over multiversa, parallelle werelden zijn al zo oud als de Kelten. Kort geleden zijn er in de kosmische achtergrondstraling concrete aanwijzingen gevonden voor heelallen die in een ver verleden met ons universum gebotst zijn. Ook de Veel Werelden Interpretatie van de kwantummechanica veronderstelt een oneindig aantal parallelle universa. In deze documentaire een overzicht van de stand van zaken nu.

De ontdekking van een parallel universum waar we naartoe kunnen reizen, nu of in de verre toekomst, zou ons mogelijk in staat stellen om in de verre toekomst te ontsnappen aan de ondergang van dit heelal. Ook kunnen we compleet nieuwe werelden ontdekken met mogelijk heel andere natuurwetten dan de onze. Wellicht kunnen we via parallelle werelden veel sneller een bestemming in dit heelal bereiken. En zo zijn er nog veel meer redenen waarom parallelle werelden de interesse wekken van steeds mer natuurkundigen en kosmologen…

Veel kosmologen geloven dat ons heelal maar een eilandje is in een bijna oneindig multiversum. Maar waar komt het multiversum vandaan? Bron: Florida State University

Wiskundig bewezen: heelal had begin

Kosmologen gebruiken de wiskundige eigenschappen van eeuwigheid om aan te tonen dat als het heelal eeuwig zal blijven bestaan, het een absoluut begin moet hebben gehad.

Big Bang
De Big Bang is een begrip, sinds de getalenteerde natuur- en sterrenkundige Fred Hoyle de term bedacht om de oerknalhypothese te bespotten. Sindsdien is het begrip  Big Bang niet meer weg te slaan uit de westerse cultuur. Geen wonder. De Big Bang is in de meest letterlijke betekenis van het woord, het moment waarop alles begon, zelfs de tijd. Hoyle bleef tot het einde van zijn leven geloven in de concurrerende steady state theorie, waarbij het heelal geen einde kent, maar er voortdurend materie uit het niets opduikt.
Veel kosmologen geloven dat ons heelal maar een eilandje is in een bijna oneindig multiversum. Maar waar komt het multiversum vandaan? Bron: Florida State University
Veel kosmologen geloven dat ons heelal maar een eilandje is in een bijna oneindig multiversum. Maar waar komt het multiversum vandaan? Bron: Florida State University

Steady state theorie
De Big Bang kosmologie is tegenwoordig zo gevestigd – en wordt ook ondersteund door veel astronomisch bewijs – dat concurrerende kosmologische theorieën vaak uit het oog verloren werden.Eén van die theorieën is de genoemde steady state theorie van Hoyle en Chandra Wickramasinghe. In deze theorie is het heelal oneindig ver in het verleden ontstaan en zal het tot oneindig ver in de toekomst blijven bestaan. Beide heren bleven eenlingen die probeerden met allerlei gekunstelde technieken zaken als achtergrondstraling en de te hoge ouderdom van sterrenstelsels te verklaren. Tot voor kort.

Pulserend heelal
Na de millenniumwisseling zijn kosmologen een aantal nieuwe ideeën gaan onderzoeken met steady state-achtige eigenschappen. Eén van die ideeën lijkt veel op de hindoeïstische kosmologie, waarin in één Brahma-leven zeer vele kleinere cycli van ontstaan en verwoesting van een heelal optreden. Een Big Bang wordt in dit model uiteindelijk gevolgd door een Big Crunch (Grote Krak), waarna weer een nieuwe Big Bang ontstaat. Een andere theorie is eeuwige inflatie, waarin verschillende delen van het universum beurtelings uitzetten en inkrimpen met verschillende snelheden. Een vorm van kosmische hartslag dus.

Multiversum
Deze delen kan je ook zien als verschillende universa in een allesomvattend multiversum. Hoewel vanuit ons gezichtspunt we in een uitzettend heelal lijken te leven, kunnen andere universa zeer verschillend zijn. Ons heelal lijkt een duidelijk begin te hebben, maar het multiversum, waar ons universum deel van uitmaakt, hoeft niet perse een absoluut begin te hebben. Ons heelal lag dan voor een oneindige tijd te ‘slapen’, waarna het door een kwantumproces dat wel wat wegheeft van de Wet van Murphy, tot leven is gewekt. Moderne kosmologische theorieën houden rekening met deze mogelijkheid. Daar kan nu verandering in komen.

‘Oneindig verleden wiskundig onmogelijk’
Audrey Mithani en Alexander Vilenkin van Tufts University in het Amerikaanse oostkuststaatje Massachusetts, stellen nu in een nieuw artikel dat deze modellen wiskundig incompatibel zijn met een eeuwigdurend verleden. Inderdaad wijst hun analyse uit dat ook de drie vormen van cyclische universa een begin moeten hebben gehad. Hun argument richt zich op de wiskundige eigenschappen van oneindigheid. Een dergelijk universum (of multiversum) moet namelijk wereldlijnen hebben die zich oneindig ver uitstrekken in het verleden.

Mithani en Vilenkin wijzen op een wiskundig bewijs uit 2003 dat dit soort wereldlijnen in het verleden niet oneindig lang kunnen zijn, als ze onderdeel uitmaken van een universum dat op een bepaalde manier (voor de liefhebbers: zoals beschreven met de Friedmann en Wheeler-DeWitt vergelijkingen) uitzet. Vervolgens tonen ze aan dat cyclische “Brahma” universa en universa die a la Hoyle eeuwig uitzetten, beide op deze manier uitzetten. In de woorden van de auteurs: hoewel inflatie eeuwig kan zijn in de toekomst, kan het niet oneindig in het verleden worden uitgebreid.

Het emergente model, het derde alternatief, blijkt weliswaar volgens de klassieke theorie stabiel, maar in kwantummechanisch opzicht instabiel. Een eenvoudig emergent universum-model kan niet ontsnappen aan kwantumcollaps, aldus de auteurs. Mithani en Vilenkin trekken een onontkoombare conclusie: geen van deze scenario’s kan een oneindig verleden hebben.

Omdat uit waarnemingen blijkt dat ons heelal uitzet, moet het dus in het verleden zijn ontstaan. Een vergaande conclusie. Wel moet de opmerking worden gemaakt dat in deze scenario’s gebruik wordt gemaakt van bijvoorbeeld de zwaartekrachtsconstante G en de kosmologische constante Λ. De vraag is of in een multiversum deze constanten wel in deze vorm voorkomen en of er niet een heel ander mechanisme ten grondslag ligt aan het multiversum. Klopt deze aanname, dan is dit inderdaad een waterdicht bewijs. En wat als de hindoegeleerden uit het grijze verleden toch gelijk hadden? Kali Yuga, het tijdperk waarin we nu leven, duurt nog meer dan vierhonderdduizend jaar. Verder hebben we nog duizenden miljarden jaren voordat dit heelal wordt vernietigd…

Bron
Audrey Mithani en Alexander Vilenkin, Did The Universe Have A Beginning?, ArXiv (2012)

Video: wat was er voor de Big Bang?

De kosmologische theorieën van nu beginnen allen met de Big Bang: een punt van bijna oneindige dichtheid dat 13,7 miljard jaar in het verleden ligt. Adepten van de snaartheorie denken echter dat het heelal zoals we dat nu kennen het gevolg is van de botsing van twee n-branen, veeldimensionale vlakken. Ze denken ook dat er dus voor de Big Bang al tijd bestond. De BBC maakte deze mooie animatie van wat er gebeurt als twee n-branen elkaar raken. Zouden  ze gelijk hebben? Oordeel zelf…

Ondanks alle borstklopperij van de snaaradepten is er voor de snaartheorie op dit moment nog geen experimenteel bewijs gevonden. Sterker nog: er is nog geen enkel uitvoerbaar experiment dat de waarheid of onwaarheid van de snaartheorie kan aantonen.

De fenomenologie van de schaarse verschijnselen die buiten het Standaardmodel of de algemene relativiteitstheorie liggen, is op dit moment nog te omstreden (ook qua experimentele betrouwbaarheid) om uitspraken te kunnen doen over de waarheid of onwaarheid van de snaartheorie.

Volgens de snaartheorie zijn er naast ons heelal, nog vele parallelle heelallen. Bron: Wikipedia/Silver Spoon

‘Neutronen kunnen naar ander universum ontsnappen’

In theorie is het mogelijk dat deeltjes van ons universum naar een ander universum reizen, aldus enkele natuurkundigen. En nog meer goed nieuws: de technologie om dit idee uit te testen is nu al beschikbaar. Hoe groot zijn de kansen dat we een bezoek kunnen brengen aan een ander heelal?

Multiversum
Veel natuurkundigen nemen aan dat ons heelal deel uit maakt van een veel uitgebreidere multidimensionale ruimte. Een fascinerend idee. Hoe zou het leven zijn in een ander heelal, waar de natuurwetten waarschijnlijk anders zijn dan hier? Het idee is niet zuiver science fiction. In feite zijn er zelfs een aantal goede argumenten om aan te nemen dat ons heelal niet het enige is. Neem bijvoorbeeld de natuurconstanten die nauwkeurig af moeten zijn gesteld om leven mogelijk te maken. Ons heelal is dan een van de weinige ‘levende’ heelallen in het multiversum.

Snaartheoretici geloven in het bestaan van een meerdimensionale ruimte, waar ons driedimensionale (plus tijddimensie) heelal in ronddobbert, in snaarjargon braanwerelden. Ons heelal is dan een 3-braan. Een van de mogelijkheden die voortvloeien uit deze (overigens omstreden, want nog niet door experimenten getoetste) theorie is dat soms deeltjes uit ons universum naar een ander universum kunnen reizen. Dat zou letterlijk het best denkbare nieuws zijn. Immers: als wij mensen kunnen ontsnappen uit dit heelal, zouden we de dood van het heelal kunnen overleven.

Volgens de snaartheorie zijn er naast ons heelal, nog vele parallelle heelallen. Bron: Wikipedia/Silver Spoon
Volgens de snaartheorie zijn er naast ons heelal, nog vele parallelle heelallen. Bron: Wikipedia/Silver Spoon

‘Materie springt naar ander heelal’
Een aantal jaren geleden toonde Michael Sarrazin van de Belgische universiteit van Namen met een aantal anderen aan hoe materie deze sprong naar een ander heelal kon maken als er een sterk magnetisch potentieel aanwezig is. Althans: als de snaartheorie juist is. Nu gaat Sarrazin verder. Hij stelt dat het Melkwegstelsel een voldoend groot magnetisch potentieel opwekt om dit ook echt plaats te laten vinden. We bevinden ons in het Melkwegstelsel, dus als dat zo is, moeten we  in staat zijn materie op heterdaad te betrappen in een lab. Sterker nog: misschien hebben andere onderzoekers deze spookachtige gebeurtenissen al waargenomen zonder dat ze dat doorhadden.

IJskoude verdwijntruc van neutronen
De experimenten in kwestie zijn experimenten met ultrakoude neutronen: bij hogere energie treedt het effect nauwelijks op. Neutronen vormen samen met protonen atoomkernen. Zonder protonen vallen neutronen na gemiddeld iets minder dan vijftien minuten radioactief uiteen in een proton, elektron (+ elektron-antineutrino):  bèta-emissie. Alle radioactieve processen waarbij elektronen vrijkomen heten bèta-emissie; alfastraling bestaat uit heliumkernen en gammastraling uit extreem krachtige lichtdeeltjes (fotonen)). Neutronen bewegen bij zeer lage temperaturen zo langzaam, dat het mogelijk is ze te vangen in een ‘fles’ van magnetische velden, normale materie of zelfs de zwaartekracht. Deze experimenten vinden onder meer plaats in het Institut Laue Langevin in Grenoble, Frankrijk, en het St. Petersburg Institute of Nuclear Physics in Rusland, bijvoorbeeld om de bèta-emissie te bestuderen. Fysici meten hoe vaak de neutronen de wanden van de flessen raken en hoe snel de vervalsnelheid terugloopt.

Ander universum
Voor deze afname in vervalsnelheid zijn twee processen verantwoordelijk. De (bekende) snelheid waarmee neutronen uiteen vallen en de snelheid waarmee neutronen ontsnappen aan de fles. In het geval van de ideale, volmaakt afgesloten fles moet de vervalsnelheid gelijk zijn aan de bekende bèta-vervalsnelheid. De flessen zijn niet ideaal dus is de vervalsnelheid altijd groter dan de bètavervalsnelheid. Er is echter nog een derde proces denkbaar dat leidt tot het verdwijnen van neutronen, aldus Sarrazin. Het weglekken van neutronen naar een ander universum. Sarrazin en zijn groep hebben nu de meetresultaten van verschillende experimenten doorgespit om een bovenlimiet op dit proces vast te stellen. Deze ligt onder één op de miljoen. Erg vaak komt het weglekken van materie dus niet voor. Als het al voorkomt.

Een jaar neutronen vangen
De groep-Sarrazin geeft echter niet op en denkt dat de grens zelfs nog strikter gesteld kan worden. Een verandering in de zwaartekrachtspotentieel zou, stellen ze, ook de snelheid van  materieverval moeten beïnvloeden. Hun voorstel: gedurende een jaar neutronen vangen en gevangen houden, zodat de aarde tijdens het experiment één omloop rond de zon afgelegd heeft. Als een seizoenseffect wordt aangetoond, zou dit een sterke aanwijzing zijn dat inderdaad neutronen geregeld een ommetje maken naar een ander heelal. Er zijn ook andere verklaringen denkbaar, interactie met donkere materie bijvoorbeeld, maar hoe dan ook: als dit seizoenseffect wordt aangetoond, zou dit betekenen dat onze bestaande natuurkunde incompleet is. En het mooie is: dit kan eenvoudig met de technieken die we nu hebben. Ik zeg: gewoon doen. Dan maar een “humanitaire” oorlog minder. Voor wat we daarmee besparen kunnen we honderden van dit soort grensverleggende experimenten doen.

Bron
Sarrazin et al., Experimental Limits On Neutron Disappearance Into Another Braneworld, ArXiv (2012)

Zijn we vijf miljard jaar geleden getroffen door een ander heelal?

Een mysterieuze invloed laat het heelal steeds sneller uitzetten. Ook, is na grondige statistische analyse gebleken, blijkt die uitzetting in sommige richtingen sneller te verlopen dan in andere richtingen. Van het mooie, symmetrische heelal dat kosmologische theorieën ons voorspiegelen, blijft nu onze waarnemingstechnieken steeds beter worden, steeds minder over. Wat is hiervan de verklaring?

Het heelal heeft volgens de nieuwste theorieën wel wat weg van een dessertglas. Na de snelle uitzetting in het prille begin nam de uitzetting weer af, om nu weer te versnellen.
Het heelal heeft volgens de nieuwste theorieën wel wat weg van een dessertglas. Na de snelle uitzetting in het prille begin nam de uitzetting weer af, om nu weer te versnellen.

De geschiedenis van het heelal, in een notendop
Eerst was er niets, en toen iets. Over wat er de allereerste fracties van seconden gebeurde, verschillen de meningen nog enorm. De mainstream denkt dat het heelal extreem snel uitzette en dat het vacuüm explodeerde in materie en energie: inflatie. Beter bekend is wat er daarna gebeurde. Het heelal zette snel uit en daarbij nam de temperatuur af. Er vormde zich iets meer materie dan antimaterie. Dit restje materie overleefde de onvermijdelijke annihilatie van materie en antimaterie. De rest is nu kosmische achtergrondstraling, sterk verdund door de enorme uitzetting van het heelal. Vierhonderdduizend jaar na de Big Bang werd de energiedichtheid laag genoeg om de vorming van atomen mogelijk te maken. Het heelal was vanaf die tijd doorzichtig; voor die tijd vingen de vrije elektronen voortdurend lichtdeeltjes op en verstrooiden ze.

Toen, om nog onbekende reden, vormden zich reusachtige zwarte gaten die een draaikolk van gas om zich heen verzamelden – de eerste melkwegstelsels. Daarin vormden zich de eerste sterren. Het heelal is dan 100 miljoen jaar oud. De oudste stelsels waren dwergstelsels met misschien een honderdste van de massa van ons melkwegstelsel. De zwaartekracht remde de uitzetting van het heelal steeds meer af. Gedurende bijna acht miljard jaren bleef dit in grote lijnen zo doorgaan.

Donkere energie sloeg vijf miljard jaar geleden toe
Toen, vijf miljard jaar geleden, iets voor de tijd dat zich de aarde en de rest van het zonnestelsel vormde, gebeurde er iets heel vreemds. Het heelal begon om onbekende reden weer versneld uit te zetten. Het gevolg is onder meer dat de stervorming stokt. Ons melkwegstelsel is aan het afsterven, omdat er steeds minder gas uit de snel ijler wordende intergalactische ruimte binnenstroomt voor nieuwe stervorming. Bij gebrek aan een betere term noemen kosmologen dit verschijnsel donkere energie. Men is er nog niet uit of het wordt veroorzaakt doordat de constante lambda in Einsteins vergelijking niet nul is, of omdat er een ijl energieveld, quintessence, actief is[1]. Het pleit lijkt richting quintessence of een andere niet-uniforme oorzaak te verschuiven, omdat er onregelmatigheden zijn aangetroffen. De uitzetting gaat namelijk in sommige richtingen sneller dan in andere.  Samengevat: we hebben dus iets te maken dat asymmetrisch is in de ruimte en in de tijd. Op de een of andere manier lijken we ons bijna (maar niet helemaal) in het midden van een zich snel uitzettende plek te bevinden.

Dergelijke plekken zijn er meer. Waarnemingen aan de kosmische achtergrondstraling wijzen uit dat er zeer grote  ‘hetere’ en ‘koelere’ plekken zijn, verspreid over het heelal. Deze plekken zijn door sommige kosmologen gekoppeld aan een controversieel idee: andere heelallen hebben toen ze zich uitzetten mogelijk het onze geraakt. Wat als dit met ons deel van het heelal gebeurd is? De snelle uitzetting heeft ook positieve kanten. Nu de gastoevoer sterk is verminderd, worden er ook veel minder zware sterren gevormd, die exploderen als supernova en een dodelijke gammaflits afgeven. Zou het leven zich kunnen hebben ontwikkelen doordat het melkwegstelsel zich in haar nadagen bevindt?

Bronnen
1. Paul Steinhardt, A quintessential introduction to dark energy, Royal Society, 2003

De kans dat een korte termijn gok achteraf klopt is groter dan je volgens de kansberekening zou verwachten.

Goed nieuws: tijd stopt toch niet

Alles begon met dit gedachtenexperiment. In een achterkamertje in een casino krijg je een zuivere munt om op te gooien. Je krijgt niet de gelegenheid om te zien wat de uitkomst is, want op het moment dat de munt neerkomt, val je in een diepe slaap. Heb je kop gegooid, dan duurt de slaap een minuut. Heb je munt gegooid, dan duurt de slaap een uur. Als je wakker wordt heb je geen idee hoe lang je geslapen hebt. Je moet gokken: heb je kop of munt gegooid. Wat is de beste strategie? Volgens een groep kosmologen: wedden op kop. Immers, we leven waarschijnlijk in een multiversum, een bijna oneindige verzameling heelallen naast elkaar…

Multiversum begunstigt gok op korte slaap
Hun redenatie komt ongeveer hier op neer. Stel dat we in een multiversum leven dat zich continu vertakt in verschillende mogelijkheden. Verschillende delen van de ruimte zetten voortdurend uit tot verschillende

De kans dat een korte termijn gok achteraf klopt is groter dan je volgens de kansberekening zou verwachten.
De kans dat een korte termijn gok achteraf klopt is groter dan je volgens de kansberekening zou verwachten.

heelallen, dus ons zichtbare universum is maar een klein eilandje in een exponentieel groeiend multiversum. In een oneindig multiversum zal alles wat kan gebeuren uiteindelijk ook gebeuren – een versie van de wet van Murphy. Een oneindig aantal keren zelfs. Alleen is het erg lastig rekenen met oneindigheden. Zo is het aantal even gehele getallen  groter dan nul, even groot als het totale aantal gehele getallen (kardinaalgetal alef nul).

Dus besloten fysici de guillotine, dat andere beroemde product van de Verlichting, van stal te halen. In een gedachtenexperiment hakken ze de tijdlijn van het multiversum op een gegeven moment door en nemen dan een steekproef. Tellen is, immers onmogelijk in een oneindige verzameling. Als deze – op zich logische – techniek wordt gebruikt om het casino-experiment te analyseren, gebeurt er iets vreemds. Als de tijd stil wordt gezet, snijdt de doorsnede door de slaapperiode van de gokkers. Echter: de vijftig procent van de gokkers die ‘munt’ hebben gegooid, hebben een veel grotere kans slapend aangetroffen te worden dan de ‘kop’ gokkers. Met andere woorden: ‘kop’ gokkers hebben een veel grotere kans om te winnen dan ‘munt’ gokkers. Als je wakker wordt, heb je extra informatie: de tijd is niet opgehouden te bestaan. Daarom verandert de oorspronkelijke 50/50 kans als je wakker wordt. Het is dus waarschijnlijker dat je maar een minuut sliep dan een uur. Kop wint.

Tijd blijft bestaan
Het idee dat tijd moet eindigen om alle waarschijnlijkheden een kans te geven te blijven bestaan heeft kosmologen Alan Guth en Vitaly Vanchurin danig gekweld. Ze hebben nu een uitweg gevonden. Met goed nieuws: de tijd blijft bestaan in het multiversum. De essentie van hun argument: je hebt geen extra informatie nodig om te begrijpen waarom de kans op kop groter is dan vijftig procent. In een multiversum dat exponentieel groeit, zijn er altijd meer jonge dan oude universa. Als je wakker wordt, ben je of in een afgeslitst universum waarin een minuut voorbij is gegaan of een uur. De kans is altijd groter dat je in een universum van een minuut ouder leeft, aldus Guth. Hij zou daarom altijd op het jongere universum wedden. Collega-kosmoloog Bousso is nog steeds niet overtuigd. Volgens hem is  het Einde der Tijden de gemakkelijkste verklaring.

Zit er geen redeneerfout in de theorie van beide heren, dan is er een vrij effectieve manier om uit te vinden of we inderdaad in een dergelijk voortdurend splitsend multiversum leven. Herhaal dit experiment duizend maal en stel vast of er een bias optreedt. Kan eindelijk de multiversum-theorie op de proef worden gesteld, door domweg tegelijkertijd heel vaak een munt op te gooien in combinatie met een slaappil?

Bronnen
Alan H. Guth en Vitaly Vanchurin, Eternal Inflation, Global Time Cutoff Measures, and a Probability Paradox, Arxiv (2011)

Zouden de 'koude' en 'warme'plekken in de kosmische achtergrondstraling de overblijfselen zijn van een botsing met een ander heelal?

Zijn er heelallen naast dat van ons?

Zijn er heelallen naast dit heelal? Volgens sommige kosmologische theorieën zijn er meer heelallen dan alleen dat van ons, en merken we de gevolgen als een ander heelal bij het uitzetten ‘botst’ met het onze. Geloof het of niet, maar deze theorie wordt nu voor het eerst experimenteel onderzocht.

Zouden de 'koude' en 'warme'plekken in de kosmische achtergrondstraling de overblijfselen zijn van een botsing met een ander heelal?
Zouden de 'koude' en 'warme'plekken in de kosmische achtergrondstraling de overblijfselen zijn van een botsing met een ander heelal?

Ons heelal heeft volgens de gangbare kosmologische modellen veel weg van een vierdimensionale ‘bol’ – een hypersfeer. Wij leven op het grensvlak van deze voortdurend uitzettende hypersfeer. Dit grensvlak is een driedimensionale ruimte, de ruimte die we om ons heen zien. Dieper in de bol ligt ons verleden, tot het centrum bereikt is – de Big Bang.
Volgens veel kosmologische modellen is onze hypersfeer niet de enige. Er zijn ook andere heelallen, met mogelijk natuurwetten die iets of zelfs radicaal afwijken van die van ons.

Als twee uitzettende hypersferen elkaar raken, zien de bewoners van elke hypersfeer een ringvormige verstoring. In werkelijkheid is deze ring uiteraard een bol: het grens’vlak’ waar een andere hyperbol zich in onze hyperbol boort, maar we nemen die waar als een schijf, zoals we ook de maan of een planeet als een schijf waarnemen.

Kortom: er is een eenvoudige manier om uit te vinden of ons heelal frontaal botst met een ander heelal. Als er gigantische ringvormige structuren in de kosmische achtergrondstraling worden waargenomen, veel groter dan door de bekende astronomische processen kan worden verklaard, weten we dat dit de gevolgen zijn van de botsing. Dit is precies wat  samenwerkende teams kosmologen nu aan het doen zijn. Tot nu toe was dat onmogelijk – er bestonden geen wiskundige algoritmen om de data van de kosmische achtergrondstraling efficiënt uit te kammen op ringvormige structuren. Ook moet van gevonden patronen worden vastgesteld of deze toevallig tot stand zijn gekomen of echt het gevolg zijn van een botsing.

Het team deed een simulatie van hoe de kosmische achtergrondstraling er uit zou zien zonder en met botsingen met andere heelallen. Ook ontwikkelden ze een baanbrekend nieuw algoritme – wiskundige manier om iets aan te pakken – waarmee is te bepalen welk scenario het beste overeenkomt met de werkelijk waargenomen  kosmische achtergrondstraling.

Ze zijn overigens niet de eersten die op jacht gingen naar enorme ringvormige structuren. Wiskundige grootheid Roger Penrose ging hen met kosmoloog Gurzadyan voor[2].

Lees ook: ‘Veel-werelden-kwantuminterpretatie betekent multiversum’

Bronnen
1. Hiranya V. Peiris et al., First Observational Tests of Eternal Inflation: Analysis Methods and WMAP 7-Year Results, Arxiv.org (2011)
2. V. G. Gurzadyan en R. Penrose, Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity, Arxiv.org (2011)
3. First observational test of the multiverse, Physorg.com (2011)

Ultimate L voegt verschillende wiskundige werelden samen tot één multiversum.

Verder dan oneindig

De mysteries van oneindigheid kunnen ons tot voorbij de grenzen van onze wiskunde brengen – en mogelijk compleet nieuwe werelden openleggen. Zou de ontwikkeling van kwantumzwaartekrachtstheorie stagneren omdat onze wiskunde incompleet is? En is Ultimate L de wiskundige theorie van alles?

Continuümhypothese na eeuw nog steeds onopgelost

Ultimate L voegt verschillende wiskundige werelden samen tot één multiversum.
Ultimate L voegt verschillende wiskundige werelden samen tot één multiversum.

David Hilbert, een wiskundige die leefde rond het begin van de twintigste eeuw, gaf op een congres van wiskundigen een lijst van 23 onopgeloste vraagstukken. Een eeuw later zijn veel van deze wiskundige vraagstukken opgelost, of is vastgesteld dat ze te vaag geformuleerd zijn om te beantwoorden. Anderen, zoals de Riemann hypothese, zijn dat nog steeds dat: een hypothese. (Kan je deze bewijzen, dan staat er een miljoen dollar op je te wachten. Dus wees er snel bij, voor de dollars waardeloos worden).

Het allerbelangrijkste vraagstuk is echter blijven liggen: de continuümhypothese. In het kort komt deze neer op de stelling, dat er geen verzameling denkbaar is met een aantal tussen het aantal gehele getallen (…, -1, 0, 1, 2, 3 …, bijvoorbeeld) en het aantal reële getallen (- 0,1; 0.01; √2; Ï€ etc.) Op het eerste gezicht lijkt dit een vreemde vraag. Immers: van beide verzamelingen is het aantal oneindig groot. De depressieve wiskundige Georg Cantor heeft echter in de negentiende eeuw aangetoond dat er verschillende oneindigheden zijn. Dit deed hij met een vernuftige truc: hij zette alle denkbare reële getallen, uitgeschreven als decimale breuk, op een rij, pakte een diagonaal en telde vervolgens bij elke decimaal 1 op (dus 0,112290 wordt 0,223301). Stel dat het getal dat zo ontstaat voorkomt in de lijst, dan moet het op een gegeven moment zichzelf kruisen. En dat kan niet, want per definitie is op dat punt de decimaal 1 groter dan die van het getal.

Zo komen we op meer intuïtief merkwaardige beweringen. In een enkel kort lijnstukje zitten meer punten dan er gehele getallen zijn en evenveel punten als in een vlak, een bol of wat dat betreft ons universum. Helaas bleken alle pogingen om de continuümhypothese te bewijzen tot nu toe vruchteloos. Het is al wel gelukt om aan te tonen dat er precies evenveel gehele getallen zijn als positieve gehele getallen, even getallen et cetera. Als deze verzamelingen maar oneindig zijn en deelverzamelingen van het aantal gehele getallen. De grootte van deze verzamelingen wordt aangeduid met een kardinaalgetal. Het aantal natuurlijke getallen is alef nul, het aantal reële getallen alef een enzovoort.

Of toch wel?
140 jaar nadat de continuümhypothese voor het eerst is geformuleerd, gelooft Hugh Woodin, een vooraanstaande Amerikaanse wiskundige dat hij dit probleem gekraakt heeft. Hiervoor gebruikte hij niet de wiskunde zoals we die kennen, maar een nieuwe, logisch veel strenger opgebouwde structuur die hij “ultimate L” heeft gedoopt.

We moeten volgens Woodin uit onze gangbare wiskundige wereld stappen en naar een hoger vlak (de man komt uit Californië) springen. Woodin is al geëerd door een ladder op de toren der oneindigheden naar hem te noemen. Dit niveau bevat gigantische getallen, genaamd Woodin kardinalen. Hiermee vergeleken valt zelfs alef één, dat de hoeveelheid reële getallen en aantal punten op een lijn aangeeft, in het niet.

We weten nu dat er allerlei bizarre heelallen mogelijk zijn waarin de meetkunde heel anderss is dan in ons heelal. Bron: Southern Polytechnic University, Georgia (US)
We weten nu dat er allerlei bizarre heelallen mogelijk zijn waarin de meetkunde heel anders is dan in ons knusse heelal. Bron: Southern Polytechnic University, Georgia (US)

Verzamelingtheorie wordt vervangen door ultimate L

Woodin en andere wiskundigen ontdekten bepaalde patronen in reële getallen, universele Baire verzamelingen, die tevoorschijn springen in verschillende L-type werelden. Deze patronen veranderen op subtiele wijze de geometrie die mogelijk is in die wereld (gedragen zich dus als “natuurwetten”) en lijken een vorm van identificerende code voor deze werelden te zijn. Door de patronen als het ware in elkaar te weven, losten de grenzen die er tussen de verschillende werelden bestonden op en dook er een kaart van een wiskundig superuniversum op. Woodin noemde dit superuniversum ultimate L.

Ultimate L heeft een aantal prettige eigenschappen. Zo kan met behulp van Ultimate L worden bekeken of een bepaalde wereld consistent is met Ultimate L of niet. Ultimate L impliceert in het bijzonder dat Cantors hypothese waar is. Er is niets tussen de (telbare) gehele getallen en het continuüm. Een onverwachte uitkomst voor Woodin: tien jaar daarvoor had hij nog beweerd dat de continuümhypothese waarschijnlijk niet klopte. Ook kan de beruchte incompleetheidsstelling van Gödel uit veel wiskundige domeinen worden verjaagd.

Maar klopt ultimate L wel? Wat zijn de gevolgen?

Niet alle wiskundigen zijn overtuigd. Volgens anderen zijn er veel denkbare logische constructies om de wiskunde die we tot nu toe ontdekt hebben mee te formuleren. Zij denken dat er delen van het wiskundige multiversum zijn waarin de continuümhypothese waar is en andere delen waarin deze niet klopt. Weer anderen denken dat deze werelden netjes ondergebracht kunnen worden in Ultimate L. Zal Ultimate L ons de wiskundige structuur bieden waarmee we eindelijk de natuurkundige problemen kunnen kraken die ons al bijna een eeuw belemmeren om kwantummechanica en de relativiteitstheorie samen te voegen? Al eerder bleek een wiskundige doorbraak, de differentiaalrekening, te leiden tot een doorbraak in de natuurkunde: de zwaartekrachtswetten van Newton. Dus die kans is heel wel aanwezig.

Lees ook:
Leven we in een wiskundig stelsel?

Bron:
New Scientist