Het standaardmodel van de oerknal is gebaseerd op de relativiteitstheorie van Einstein, die een begintoestand van oneindige dichtheid voorspelt – een singulariteit waarin de bekende natuurkunde uiteenvalt. Uit opkomend onderzoek blijkt echter dat de geboorte van het universum zich misschien anders heeft ontwikkeld, waardoor deze catastrofale ineenstorting mogelijk is vermeden door een uitbreiding van Einsteins zwaartekracht, bekend als Quadratic Quantum Gravity (QQG).
De grenzen van Einsteins theorie
De algemene relativiteitstheorie van Einstein beschrijft nauwkeurig de zwaartekracht op grote schaal – van planetaire beweging tot zwarte gaten. Maar het faalt als het wordt toegepast op de extreme omstandigheden van het vroege universum of het kwantumrijk. De singulariteit die door de algemene relativiteitstheorie wordt voorspeld, is een duidelijk teken dat de theorie onvolledig is; Oneindige dichtheid heeft gewoon geen zin.
“Het grootste probleem is dat de algemene relativiteitstheorie van Einstein zijn eigen falen onder extreme omstandigheden voorspelt, het meest bekend bij de oerknal-singulariteit”, legt natuurkundige Niayesh Afshordi uit. Dit heeft tientallen jaren van zoeken naar een robuuster raamwerk voor de zwaartekracht onder deze omstandigheden tot gevolg gehad.
QQG: een potentiële oplossing
QQG bouwt voort op de theorie van Einstein door aanvullende termen op te nemen die belangrijk worden bij extreem hoge energieën. Hierdoor kan de theorie consistent blijven, zelfs onder de extreme omstandigheden van de oerknal, waardoor de singulariteit mogelijk helemaal wordt vermeden.
Een recente studie gepubliceerd in Physical Review Letters suggereert dat het vroege universum, onder QQG, mogelijk een fase van hoge energie heeft doorgemaakt zonder een abrupt, oneindig compact begin. In plaats daarvan had het universum uit een gladdere, stabielere toestand met eindige dichtheid en temperatuur kunnen voortkomen. Dit vermijdt een fundamentele fout in de standaardkosmologie.
Inflatie zonder inflatie
QQG biedt ook een nieuw perspectief op de kosmische inflatie – de periode van snelle expansie onmiddellijk na de oerknal. Standaardmodellen vereisen een hypothetisch veld, het ‘inflaton’, om deze expansie aan te sturen. QQG veroorzaakt echter op natuurlijke wijze inflatie als gevolg van de zwaartekracht zelf.
‘Met andere woorden: sommige van de belangrijkste ingrediënten die we normaal gesproken afzonderlijk aan de kosmologie toevoegen, kunnen rechtstreeks voortkomen uit de zwaartekrachttheorie zelf’, voegt Afshordi toe. Dit elimineert de noodzaak voor een onopgemerkt veld.
Asymptotische vrijheid en observatietests
Een belangrijk kenmerk van QQG is zijn gedrag op verschillende energieschalen. Het vereenvoudigt bij extreem hoge energieën – een eigenschap die asymptotische vrijheid wordt genoemd – voordat het evolueert naar de zwaartekracht die we vandaag de dag waarnemen. Dit creëert een voortdurende overgang van een exotisch vroeg universum naar de goed geteste fysica van latere tijden.
De theorie is niet ontestbaar. Subtiele verschillen in de oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven en de kosmische microgolfachtergrond zouden de invloed van QQG op het vroege universum kunnen onthullen. Toekomstige waarnemingen, vooral op het gebied van de zwaartekrachtgolfastronomie, kunnen dit model mogelijk onderscheiden van standaard inflatiescenario’s.
“Naarmate de observationele gevoeligheid de komende jaren en decennia verbetert, zouden toekomstige metingen van oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven dit soort modellen kunnen gaan onderscheiden van meer conventionele inflatiescenario’s.”
Concluderend presenteert QQG een overtuigend alternatief voor de op singulariteit gebaseerde oerknal. Het biedt een wiskundig consistent raamwerk dat al lang bestaande inconsistenties in ons begrip van de kosmische oorsprong kan oplossen. Als dit wordt bevestigd, zou dit onze kijk op het begin van het universum kunnen veranderen, waarbij een catastrofale ineenstorting zou worden vervangen door een voortdurende, kwantumbeschrijving van de zwaartekracht.
