natuurkunde

Volgens sommige natuurkundigen leven we in een heelal met minder dan drie dimensies. Het feit dat we toch drie ruimtelijke en één tijdsdimensie waarnemen, komt volgens hen door het effect van een grotere schaal en lage energie.

Minkowski-metriek
Er zijn theorieën, zoals de diverse incarnaties van de snaartheorie, die aannemen dat we in een elf- of nog meer-dimensionale braanwereld leven. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie leven we in een vierdimensionale ruimte, bestaande uit drie ruimtedimensies en één tijddimensie. In de wiskundige beschrijving van ruimtetijd volgens Einstein, de Minkovski-ruimte, worden de drie ruimtedimensies als positieve getallen (enen) weergegeven en de tijddimensie als een negatief getal. Dat beschrijft het bekende relativistische effect, dat de tijd langzamer lijkt te gaan voor waarnemers die versnellen en daarna weer afremmen.
Er komt echter steeds meer experimenteel bewijs dat in ieder geval bij zeer hoge energieën, dit niet meer opgaat en we het met één, of misschien zelfs wel twee dimensies minder moeten doen…

Warme, tweedimensionale zwarte gaten
De eerste scheuren in ons vierdimensionale wereldbeeld ontstonden door theoretisch werk aan  zwarte gaten. Het principe van een zwart gat is simpel. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie kan niets sneller bewegen dan het licht. Hoe zwaarder iets is, hoe hoger de ontsnappingssnelheid – je kan bijvoorbeeld van een zwevend rotsblok van een kubieke kilometer al ontsnappen door een flinke sprong te nemen. Op aarde moet je dan meer dan elf kilometer per seconde reizen, vijf keer sneller dan een kogel. Sommige objecten – ingestorte sterren zwaarder dan vijf keer de zon, bijvoorbeeld – zijn zo zwaar en dicht dat zelfs een voorwerp dat met de lichtsnelheid beweegt, zoals een lichtdeeltje, niet meer kan ontsnappen. Er ontstaat dan iets dat alles, zelfs licht, opslokt: een zwart gat.

Theoretisch natuurkundigen gingen stoeien met de wiskundige beschrijving van ruimte-tijd rond een zwart gat, waar onder meer de Schwarzschild-radius uit is afgeleid. En kwamen met opmerkelijke uitkomsten, toen ze deze met kwantummechanica gingen combineren. Zo ontdekte mediaberoemdheid Stephen Hawking dat zwarte gaten Hawkingstraling uitzenden, omdat als in het vacuüm virtuele deeltjes worden opgeslokt door het zwarte gat, het andere deeltje daardoor positieve energie krijgt en zo kan ontsnappen. Met andere woorden: zwarte gaten hebben een temperatuur! Nu is er een ijzeren thermodynamische wet in de natuurkunde: alles wat temperatuur heeft, heeft entropie, dus een informatieinhoud. Jacob Bekenstein berekende dat de hoeveelheid entropie van een zwart gat afhangt van… de oppervlakte van de waarnemingshorizon. Elke bit informatie komt overeen met [latex]\hbar G/c^3[/latex], de oppervlakte van Planck. Zowel [latex]\hbar[/latex] als G zijn erg klein en de lichtsnelheid c is heel erg groot, waardoor hier een absurd kleine waarde uit rolt: 2,6 * 10^-70 vierkante meter (zeventig nullen achter de komma dus) per kwantumbit. De waarnemingshorizon van een zwart gat is ideaal om je illegale downloads op te dumpen, dus. Ook interessant is dat volgens de algemene relativiteitstheorie de diameter van een zwart gat evenredig is aan zijn massa: elke zonsmassa extra betekent dat het gat zes kilometer doorsnede er bij krijgt. Is massa informatie, dus entropie? En komt informatieinhoud overeen met oppervlak? Dit is wat het combineren van de algemene relativiteitstheorie met kwantummechanica lijkt te impliceren…

Leven we in een plat vlak?
Waarnemingen aan extreem krachtige kosmische straling (het krachtigste kosmische deeltje ooit waargenomen had evenveel punch als een weggemepte honkbal, let wel, één enkel deeltje) tonen aan dat de ruimte voor deze deeltjes er heel anders uitziet dan voor ons. Erg plat, namelijk.

Dit komt uitstekend overeen met theorieën waarin het heelal vlak na de Big Bang, toen het veel heter was dan nu (de deeltjes hadden in die tijd een energie van boven de 100 biljoen elektron-volt of eV), maar één ruimte- en een tijdsdimensie heeft. Een lijn die door de tijd beweegt, dus. Iets later, de energie per deeltje daalde tot 1 biljoen eV, zou zich een tweede dimensie hebben gevormd, waaronder ons bekende heelal met drie dimensies zou zijn ontstaan. Nu heeft de achtergrondstraling een temperatuur van drie kelvin, dit is een duizendste eV. Misschien dat ons heelal als het heel sterk af is gekoeld, nog veel meer dimensies zal tellen. Mureika en Stojkovic veronderstellen dat bij zeer lage temperaturen mogelijk het vacuüm uit elkaar zal vallen in vier ruimtedimensies en een tijdsdimensie.

Boodschappers van Platland?
De statistische verdeling van de energie van kosmische deeltjes toont aan dat ze uit een ruimte komen, die meer weg heeft van een plat vlak dan van onze driedimensionale ruimte.  In hun nieuwe studie bedachten natuurkundigen Jonas Mureika en Dejan Stojkovic een nieuwe methode om uit te vinden of deze waarneming inderdaad klopt en bij zeer hoge deeltjesenergieën de ruimte inderdaad plat wordt. Deze methode gaat er vanuit dat in een tweedimensionaal, plat heelal de ruimte geen mogelijkheden voor zwaartekrachtswerking heeft, dus ook geen zwaartekrachtsgolven voorkomen. Als de gevoelige zwaartekrachtsdetectoren die nu gepland worden merken dat zwaartekrachtsgolven voorbij een bepaalde frequentiegrens niet meer voorkomen, zou dat een concreet bewijs zijn voor een tweedimensionale voorloper van ons heelal.

Eendimensionale wereld in de LHC?
In sommige varianten van de theorie worden al sporen zichtbaar van de eendimensionale wereld boven tien biljoen eV, wat binnen bereik ligt van de Large Hadron Collider. Beide onderzoekers denken dat het daarom mogelijk kan zijn in botsingen sporen te ontdekken van de wereld vlak na de Big Bang.

Bronnen
Physorg
Physical Review Letters
Arxiv