Universiteit van Utrecht bouwt 4-dimensionaal universum
TT-REPORT (7 augustus 2006) - Is causaliteit een inherent en noodzakelijk kenmerk van het universum, of slechts een illusie, veroorzaakt door de manier waarop onze hersenen de wereld interpreteren?Het is echt, zeggen natuurkundigen aan de Universiteit van Utrecht, die denken dat ze hebben opgelost hoe het universum is opgebouwd uit de kleinste bouwstenen van ruimte-tijd. Deze ontdekking zou ook de ontwikkeling van een theorie over quantum zwaartekracht kunnen helpen; een theorie die de 2 huidige (van elkaar vervreemde) natuurkundige theorieen over het universum met elkaar zou verbinden: de quantum theorie en relativiteitstheorie.
De quantum theorie beschrijft het universum als de kleinst mogelijke schaal - ongeveer 10-35 meter (ongeveer 1020 keer kleiner dan de doorsnee van een proton). Het voorspelt dat op deze schaal het ogenschijnlijk gladde materiaal van ruimte en tijd moet degenereren in een soort van 'schuim', waarin verbindingen tussen verschillende punten constant verschijnen en weer verdwijnen.
Natuurkundigen hebben lang geprobeerd om uit te vinden hoe de verwarde aard van ruimte-tijd op deze kleine schaal het grote 4-dimensionale universum dat we om ons heen zien kan vormen, zoals beschreven in Einstein's relativiteitstheorie.
Wetenschappers die dit probleem bestuderen, veronderstellen dat elke klein deeltje van dit schuim een soort van 4-dimensionale driehoek is, met 3 dimensies ruimte en 1 dimensie die overeenkomt met tijd. Het gladde materiaal van ruimte-tijd kan opgebouwd worden door deze driehoekvormige 'tegels' (tiles) samen te voegen, net zoals een glad gewelfd oppervlak gemaakt kan worden van platte, 2-dimensionale tegels.
Omdat het quantum 'schuim' door alle soorten van samenstellingen fluctueert, betekent het vormen van het fysieke universum, het optellen van al de mogelijke betegel-patronen. Je zou misschien denken dat dit onvermijdelijk een 4-dimensionaal universum zou genereren, maar dat doet 't niet. Eerdere onderzoekers ontdekten dat ze ruimte-tijd hebben met ofwel een oneindig aantal dimensies ofwel slechts 2. Geen van deze lijkt op ons universum.
bouwwerk
Renate Loll van de Universiteit van Utrecht en haar collega's hebben nu een manier ontdekt om de deeltjes zo samen te voegen, dat zij onvermijdelijk een 4-dimensionaal universum vormen. In plaats van aan te nemen dat alle tegels zijn toegestaan, leggen ze 2 beperkingen op.
Ten eerste, de relativiteitstheorie moet binnen elke afzonderlijke tegel van toepassing zijn (zodat niets sneller dan licht er doorheen kan reizen) en ten tweede, de samenvoeging moet causaliteit behouden. Dit betekent dat een deel ruimte-tijd niet op zo'n manier geconstrueerd kan worden dat een 'gebeurtenis' - een bepaalde verandering in het universum - aan haar oorzaak voorbijgaat.
Toen ze deze criteria op hun berekingen loslieten, eindigden de onderzoekers met universums met 3 ruimtelijke dimensies en 1 tijd dimensie - net zoals die van ons. Het was 'net magie', vertelt Renate Loll.
Ze ontdekten, wat zelfs meer opzienbarend is, dat typische universums die op deze manier gegenereerd zijn, klein begonnen en groter werden - ze breidden zich uit, net zoals het echte universum sinds de Big Bang heeft gedaan. Dit was totaal onverwacht - er was niets in de betegeling-regels dat dit leek te eisen. "We waren compleet verrast," zegt Renate Loll.
Ze geeft toe dat er geen a priori reden is om te eisen dat quantum ruimte-tijd zich moet houden aan causaliteit: de onderzoekers plaatsten het handmatig in hun vergelijkingen. Maar dat lijkt de enige manier te zijn om te eindigen met een realistisch universum.
website
Loll's meest recente onderzoek vindt u op haar website: http://www.phys.uu.nl/~loll/Web/title/title.html
Bronnen
Nature, 8 oktober
Ambjørn J., Jurkiewicz J. & Loll R. Physical Review Letters, 93. 131301 (2004).
website Universiteit van Utrecht, 2006
