Mysterieuze ‘bubbels van niets’ eten de ruimtetijd op

Het universum is mogelijk hard op weg om zichzelf van binnenuit op te eten.

Gelukkig geloven de natuurkundigen die dit fenomeen bestuderen dat het zeer onwaarschijnlijk is. Maar toch is de mogelijkheid, die ‘spacetime decay’ heet, op zichzelf al interessant genoeg om het tot in de kleinste details te onderzoeken. De stof gaat namelijk over ‘bubbels van niets’ in de ruimtetijd, verborgen extra dimensies, en een hypothetische waarnemer die meelift op het buitenoppervlak van ons universum.

Het idee dat het universum in specifieke scenario’s door een steeds groter wordende bubbel van niets volledig wordt vernietigd, bestaat al sinds 1982. Toen schreef de theoretisch natuurkundige Edward Witten in het wetenschappelijke tijdschrift Nuclear Physics B over de mogelijkheid dat het universum zichzelf opeet: “Er vormt zich spontaan een gat in de ruimte, dat zich snel uitbreidt tot in het oneindige en alles wat het daarbij tegenkomt naar het oneindige duwt.”

Aangezien zo’n bubbel van niets het universum niet heeft vernietigd – niet in de 13 miljard jaar voordat Witten zijn artikel publiceerde noch in de 38 jaar erna – zou je denken dat wetenschappers het niet hoog op hun prioriteitenlijstje hebben staan. Maar drie natuurkundigen van de Universiteit van Oviedo in Spanje en de Universiteit van Uppsala in Zweden beweren dat we belangrijke lessen kunnen trekken uit de allesverslindende, universumvernietigende bubbel. Dat deden ze in hun artikel ‘Nothing Really Matters’, dat ze vorige maand aanleverden aan het wetenschappelijke tijdschrift Journal of High-Energy Physics.

Het is volgens hen goed om te onderzoeken hoe spacetime decay door een bubbel van niets zou kunnen ontstaan. Zij denken dat we zo de beste theorieën over snaren – de kleinste bouwstenen van het universum – kunnen verbinden met theorieën over ruimte en tijd zelf.

Het is algemeen bekend dat een vacuüm een totaal lege ruimte is. Het is dus verwarrend om te bedenken dat ons hele universum, inclusief de Aarde, verre sterrenstelsels en alles daartussenin, bijna volledig een vacuüm is. Maar het feit dat ons universum grotendeels een vacuüm is, is deels de reden dat het zich in een relatief stabiele staat bevindt.

In de kwantumveldentheorie, die kwantumfysica en de dynamiek van ruimtetijd met elkaar verbindt, wordt een vacuüm omschreven als de laagst mogelijke energiestand. ‘Aangeslagen’ kwantumtoestanden hebben een hogere energie dan die van de vacuümtoestand. Zij blijven echter niet lang aangeslagen en vervallen meestal snel naar een lagere energietoestand, wat ze onder andere doen door fotonen en andere energieën uit te stralen. Maar voor vacuüms is er geen lagere energietoestand om in te vervallen, en dus blijven zij zich in een stabiele staat bevinden.

Aangezien het grootste deel van ons universum een vacuüm is en zich dus al in de laagst mogelijke energietoestand bevindt, hoeven we ons geen zorgen te maken over spacetime decay. Maar in de theoretische natuurkunde kun je zulke aannames niet doen.

In het begin van de jaren zeventig onderzochten een paar Russische natuurkundigen het idee dat er een middenweg bestaat tussen een stabiel vacuüm en een onstabiel niet-vacuüm. Zij dachten aan een vacuümachtige toestand, die stabiel lijkt vanwege de zeer lange periode dat hij in zo’n ‘metastabiele’ toestand is, totdat hij uiteindelijk toch in verval raakt. Hun idee wordt nu een ‘vals vacuüm’ genoemd en was een poging om inconsistenties op te lossen in theorieën over de vroege toestand van het universum, de effecten van zwaartekracht en kosmologische waarnemingen.

Het destijds nieuwe concept van een vals vacuüm was in de eerste instantie bedoeld om een overgangsperiode van vóór de oerknal te beschrijven. Maar recenter onderzoek naar het Higgsveld – een kwantumkrachtveld dat beroemd werd door de deeltjesversneller van CERN – suggereert dat we mogelijk nog steeds in een vals vacuüm leven. Wat voorheen namelijk werd beschouwd als de stabiele toestand van een Higgsveld, is misschien in werkelijkheid niet de echte laagste energietoestand.

De mogelijkheid dat de stabiliteit van ons universum een illusie is, heeft geleid tot vragen over hoe en waarom het delicate valse vacuüm zou kunnen vervallen. Een van de antwoorden is een bubbel van niets.

Een bubbel van niets is een voorbeeld van een ‘ruimtetijdbubbel’ – waarin de ruimtetijd binnen en buiten de bubbel verschillende eigenschappen heeft. Andere soorten bubbels hebben bijvoorbeeld verschillende sterktes donkere energie binnen en buiten de bubbel, maar een bubbel van niets heeft helemaal geen binnenkant. Dat zegt Marjorie Schillo, medeauteur van ‘Nothing Really Matters’ en onderzoeker aan de Universiteit van Uppsala.

Als er spontaan een bubbel van niets ontstaat in de vals-vacuüm-ruimtetijd, zal die groeien en uiteindelijk het hele universum opslokken. “[Een bubbel van niets] leidt mogelijk tot ‘de vernietiging van het universum’, in de zin van dat de bubbel van niets groter wordt en alle ruimtetijd ‘opeet’, waarna die zal worden omgezet in ‘niets’,” zegt Schillo.

Maar waarom zou er überhaupt een bubbel van niets ontstaan? Het antwoord kunnen we vinden in de snaartheorie, een goede en populaire kandidaat voor de ‘theorie van alles’. De snaartheorie stelt dat er minieme entiteiten zijn: snaren. Die hebben eigenschappen die andere fundamentele deeltjes niet hebben. Snaren hebben bijvoorbeeld een vibratietoestand die verantwoordelijk is voor kwantumzwaartekracht. Met andere woorden: de theorie integreert fenomenen in de kwantummechanica met het gedrag en de effecten van zwaartekrachtvelden. Mensen willen die dingen al heel lang met elkaar integreren, wat een belangrijke reden is waarom de snaartheorie zo populair is.

Deze verleidelijke ‘theorie van alles’ is gebaseerd op een aantal aannames die niet bewezen zijn. De wiskunde achter de snaartheorie werkt namelijk alleen als er meer dan vier dimensies zijn: drie ruimtelijke dimensies, een tijddimensie en vervolgens heel veel andere dimensies, die zo klein zijn dat ze niet kunnen worden waargenomen en alleen afgeleid zijn van de wiskunde. In de snaartheorie lijkt de geometrie van ons universum slechts vierdimensionale ruimtetijd te zijn, omdat de extra dimensies zo dicht op elkaar zitten en daardoor verborgen zijn.

Om wiskundige redenen die bijna te technisch zijn om met woorden uit te leggen, vormen bubbels van niets zich niet in vierdimensionale ruimtetijd, maar in een ‘snarige’ multidimensionale ruimtetijd. Eén model van snarige ruimtetijd heet het Kaluza-Klein-vacuüm, en in dat model is de kans dat een bubbel van niets alles in een oneindige ruimte vernietigt 1 (dat wil zeggen: zeker). Natuurkundigen weten niet zeker of ons universum eindig of oneindig is, maar gelukkig weten ze wel zeker dat het gecorrigeerd moet worden dat de totale vernietiging van ons universum door een bubbel van niets 100 procent zeker is. Het is volgens hen niet iets om je zorgen over te maken.

De Tsjechische snaartheoreticus Luboš Motl merkte in een verrassend grappige blog op dat een catastrofale bubbel van niets juist gebruikt zou moeten worden om ons universum niet meer te beschrijven, want als het gaat gebeuren, had het volgens hem al gebeurd moeten zijn.

“We weten niet of onze ruimtetijd stabiel is,” schrijft hij. “Het is mogelijk dat die wordt bedreigd door een kosmische catastrofe. Maar omdat het universum al [ongeveer 14 miljard jaar] bestaat, weten we dat de kans op de geboorte van een dodelijke [bubbel van niets] niet veel groter kan zijn dan [een extreem klein getal dat véél kleiner is dan 1].”

Hij vervolgt: “Een theorie die de waarschijnlijkheid op een dodelijke destructieve tumor (veel) groter inschat, had ook moeten voorspellen dat ons universum nu (zeker) al vernietigd had moeten zijn. Maar dat is niet zo, dus er is een probleem met de theorie.”

Schillo is het daarmee eens. Ze zegt dat ze met haar onderzoek naar bubbels van niets gedeeltelijk wilde vaststellen wat de implicaties zouden zijn voor de snaartheoretische beschrijvingen van het universum. Volgens haar is spacetime decay door een bubbel van niets hoogst onwaarschijnlijk.

“Het is belangrijk om deze mogelijkheden van verval te begrijpen. Als we namelijk een snarig vacuüm willen om ons universum te beschrijven, moeten instabiliteiten zoals de bubbel van niets ofwel uiterst zeldzaam zijn, ofwel helemaal niet voorkomen,” zegt ze.

De bubbel van niets heeft ook nog een ander doel. Schillo en anderen zijn van mening dat de wiskundige beschrijving van een universumvernietigende bubbel van niets kan worden gebruikt om de oorsprong van het universum in kaart te brengen.

Het gedrag van een snelgroeiende bubbel van niets is mogelijk goed vergelijkbaar met de vroege inflatie van het universum. Het buitenoppervlak van een groeiende bubbel van niets zou in die vergelijking dan erg lijken op het ontstaan van het universum, als het mogelijk was geweest om het ontstaan van het universum van buitenaf te bekijken.

Het klinkt misschien vergezocht, maar het is een belangrijk punt van aandacht in de theoretische fysica en de kosmologie van het vroege heelal. “Het aspect ‘universumcreatie’ van dit werk is een van de toekomstige onderzoeksthema's waar ik het meest enthousiast over ben,” zegt Schillo.

“Het zou interessant zijn om uit te zoeken onder welke omstandigheden een waarnemer op de bubbel van niets zou kunnen ‘meeliften’, zodat diegene een universum kan zien dat lijkt op het universum waarin wij leven,” zegt ze. “De bubbel wordt groter, waardoor de waarnemer een uitdijend heelal zou zien. En dat zou tot een verklaring kunnen leiden van de waargenomen donkere energie.”

Wees niet bang, je hoeft je echt geen zorgen te maken over een bubbel van niets die alle ruimtetijd opslokt. Maar als je je ooit hebt afgevraagd hoe het universum eruitzag toen het voor het eerst explodeerde, is het zeker de moeite waard om een beetje op de hoogte te blijven van het bubbelonderzoek.