oorsprong van het heelal

Fysicus Arto Annila uit Helsinki komt met een op zijn minst zeer opmerkelijk te noemen nieuwe verklaring voor de versnelde uitzetting van het heelal. We gebruikten domweg een verkeerde rekenmethode.

De Nobelprijs natuurkunde, in oktober 2011 uitgereikt, werd toegekend voor onderzoek aan het licht van Type 1a supernova’s. Van dit type verwoestende sterexplosie is exact bekend hoeveel energie deze produceert. Aan de hand van hun helderheid kunnen astronomen zo exact bepalen hoeveel lichtjaar deze supernova’s zich van ons af bevinden.

Hoe werkt afstands- en snelheidsmeting bij sterren?
Ieder atoom en molecuul heeft karakteristieke golflengtes, waarop het energie absorbeert of juist uitstraalt. Zo komt het gele licht van natriumlampen van twee dicht bij elkaar liggende gele lijnen, waarvan de plaats in het kleurenspectrum precies bekend is. Ontdekken astronomen dat deze gele natriumlijnen in bijvoorbeeld het blauwe gebied liggen, dan weten ze dat de ster in kwestie extreem snel op ons afkomt.  Omgekeerd komt vaker voor: roodverschuiving. In dat geval beweegt de ster zich snel van ons af. Een van de grote ontdekkingen van vorige eeuw is dat het heelal uitzet. Dit weten we omdat alle sterrenstelsels zich van ons verwijderen, hoe verder weg, hoe sneller.

Uitzetting gaat steeds sneller
Rond de millenniumwisseling is iets ontdekt waar kosmologen behoorlijk mee in hun maag zitten. Het heelal zet namelijk de laatste paar miljard jaar steeds sneller uit, terwijl kosmologische theorieën nou juist voorspellen dat de uitzetting langzamer gaat. Voor de eerste paar miljard jaar van het bestaan van het heelal klopt dat ook wel aardig. De complete trukendoos van de fysica en kosmologie is uit de kast getrokken om dit te verklaren, zonder een al te overtuigend resultaat. Dit proces verloopt namelijk sneller dan alle bekende natuurkundige processen kunnen verklaren.

De meeste kosmologen geloven daarom dat er een mysterieuze kracht, donkere energie genaamd, verantwoordelijk is.

Annila: donkere energie komt door slecht wiskundig model
Voor het eerst stelt nu iemand vraagtekens bij de data van de supernova-explosies zelf. Volgens Annila verandert het licht tijdens zijn vaak miljarden jaren durende reis door de kosmos, omdat het heelal uitzet tijdens die reis. Dat rekt de fotonen uit, waardoor ze roder worden. Zie daar de roodverschuiving. Het standaard model van de Big Bang, Lambda-CDM, is een wiskundig model, maar modelleert de fysische realiteit niet waaraan fotonen die door een supernova uit worden gezonden onderhevig zijn, aldus Annila. Het model houdt geen rekening met de uitrekking van het heelal. Volgens hem is de relatie tussen helderheid en roodverschuiving daarom geen rechte lijn, maar een kromme – precies de kromme die “donkere energie” lijkt te bewijzen.

Kortom: de versnelde uitzetting is volgens Annila domweg het gevolg van een slecht wiskundig model. Als hij gelijk heeft, gaan ze dat aan de overkant van de Botnische golf uiteraard helemaal niet leuk vinden, want dan gaat het Nobelcomité behoorlijk nat.

Terug naar Maupertuis
Een bekend principe uit de optica is het principe van de Franse wiskundige Fermat: het principe van de minste tijd. Licht volgt volgens dit principe altijd het pad waarmee het het snelst reist. Dit hoeft niet altijd een rechte lijn te zijn. Als de lichtsnelheid in een materiaal tussen de lichtbron en de waarnemer lager is, zal het licht er voor een deel omheen reizen. Zo werken lenzen.

Dit principe is weer een specifieke toepassing van Pierre-Louis de Maupertuis‘ principe van de minste actie. Wiskundig kan je dit doen door er een Lagrangiaanse integraal van te nemen (ideaal, want dat is makkelijk rekenen) of Maupertuis’ oorspronkelijke formulering (weinig populair omdat het lastiger rekenen is). Ten onrechte in dit geval, stelt Annila. Want een aanname die voor Lagrangianen gebruikt wordt, namelijk dat de omgeving niet verandert, klopt niet. Immers: het heelal zet uit.

Maupertuis na drie eeuwen weer springlevend
Niet afgeschrokken door het rekenwerk, daar heb je nu verduveld handige programma’s als Maple en Mathematica voor, paste Annila Maupertuis oorspronkelijke formulering van het principe toe en berekende zo dat het licht van type 1a supernovae exact de voorspelling van Maupertuis volgde. Donkere energie blijkt dus helemaal niet nodig om dit fenomeen te begrijpen. Zie het plaatje hieronder, waarin de roodverschuivingen keurig op een lijn liggen als ze af worden gezet tegen de berekende minste actie.

Denkfout gemaakt door het zoeken van valse zekerheden
Tot slot nog een rake filosofische overweging van Annilo die we onze lezers zeker niet willen onthouden.
“Het is natuurlijk voor ons om te verlangen naar voospellingen. Als we niet de toekomst een beetje zouden kunnen voorspellen, zouden we niet kunnen overleven,” aldus  Annila. “Natuurlijke processen, zoals Maupertuis ze correct benoemd, zijn echter niet berekenbaar. Zonder een goede fysische reden hebben we afstand gedaan van Maupertuis’ formulering. De reden hiervoor was puur ons verlangen naar exacte voorspellingen die ons er toe geleid heeft de fysisch correcte Maupertuis’ formulering te verwerpen.”

Annilo’s ontdekking heeft nog veel meer gevolgen en verklaart mogelijk zelfs wat de diepere oorzaak is achter van de uitzetting van het heelal. Deze komen in het vervolgartikel aan de orde. Stay tuned.

Meer informatie:
Arto Annila. “Least-time paths of light.” Mon. Not. R. Astron. Soc. 416, 2944-2948 (2011)