Quantum geometric inflation

Het verhaal van ons universum begint vaak met een vraag die te groot lijkt voor het menselijk verstand om te bevatten: hoe is alles begonnen? Decennialang hebben kosmologen vertrouwd op een theorie genaamd inflatie om de vroegste momenten van het universum te verklaren. Deze theorie suggereert dat het kosmos een periode van ongelooflijk snelle expansie onderging, wat de ruwe randen van het vroege universum gladstreek en het podium bereidde voor de sterren en sterrenstelsels die we vandaag de dag zien. In de standaardversie van dit verhaal wordt deze expansie gedreven door een mysterieus, onzichtbaar energieveld, vaak de inflaton genoemd, dat fungeert als een tijdelijke motor voor het universum. Echter, deze motor is een theoretische constructie; we hebben hem nooit direct waargenomen, en zijn bestaan wordt alleen afgeleid omdat de wiskunde erdoor werkt. Dit laat een aanhoudende twijfel achter: is dit veld echt, of is er een eenvoudigere manier om de geboorte van het universum te verklaren met enkel de geometrie van ruimte en tijd zelf?

Een nieuwe studie door natuurkundigen Nephtalí Eliceo Martínez Pérez en Cupatitzio Ramírez Romero onderzoekt deze mogelijkheid door de noodzaak van een mysterieus energieveld volledig weg te laten. Zij onderzoeken een kader bekend als "Geometrische Inflatie", dat voorstelt dat de snelle expansie van het vroege universum niet werd veroorzaakt door een nieuw deeltje of veld, maar door de wijze waarop de vorm van de ruimtetijd zelf op complexe manieren kromming vertoont. In dit perspectief zijn de regels van de zwaartekracht iets anders bij de hoogste energieën, waardoor het universum natuurlijk inflateert terwijl het uitdijt. De onderzoekers namen dit idee en stelden een fundamentele vraag: als het universum op deze manier begon, hoe zou de kwantumtoestand er dan uitzien? Door de wetten van de kwantummechanica toe te passen op het gehele universum, probeerden zij de initiële condities van deze geometrische geboorte te begrijpen en of een dergelijk universum kon evolueren naar het universum waarin wij vandaag de dag leven.

Om dit te beantwoorden, maakte het team gebruik van een methode genaamd kwantumkosmologie, waarbij het universum als één enkel kwantumobject wordt behandeld. In deze benadering heeft het universum niet één enkele, definitieve geschiedenis, maar bestaat het als een golf van mogelijkheden. De onderzoekers concentreerden zich op een vereenvoudigd model van het universum, een dat vlak en uniform is, en pasten een specifieke set vergelijkingen toe die bekend staan als de Wheeler-DeWitt-vergelijking. Deze vergelijking is de kwantumversie van de regels die bepalen hoe het universum expandeert. In tegen tegenstelling tot eerdere studies die vertrouwden op een scalair veld om inflatie aan te drijven, gebruikten deze onderzoekers een "perfecte vloeistof", een theoretische substantie die zich gedraagt als een gladde, continue gas, om de materie in het vroege universum te representeren. Ze testten twee specifieke wiskundige modellen van hoe de ruimtetijdkromming verandert bij hoge energieën, die beide een periode van snelle expansie mogelijk maken zonder enige externe energiebron.

Het team bouwde eerst een wiskundige beschrijving van het universum die geanalyseerd kon worden met behulp van de kwantummechanica. Omdat de vergelijkingen voor geometrische inflatie complexe, hogere-orde veranderingen in de vorm van de ruimte omvatten, is de wiskunde berucht moeilijk. De onderzoekers moesten het probleem zorgvuldig herstructureren om ervoor te zorgen dat de natuurwetten consistent bleven en dat de vergelijkingen geen onmogelijke resultaten produceerden. Ze ontdekten dat door de expansiesnelheid van het universum als een variabele in een kwantumsysteem te behandelen, ze de toestand van het universum als een golffunctie konden beschrijven. Deze golffunctie vertelt ons de waarschijnlijkheid om het universum in een bepaalde staat van expansie aan te treffen op een gegeven moment.

Toen ze deze vergelijkingen oplosten voor een universum gevuld met stofachtige materie, waren de resultaten opmerkelijk. De kwantumgolffunctie beschreef een universum dat van nature overgaat van een periode van snelle, exponentiële expansie naar een tragere, stabielere expansie. Dit gedrag weerspiegelt de "graceful exit" die inflatiemodellen vereisen: het universum inflateert snel en stopt vervolgens soepel, waardoor normale materie en straling de overhand kunnen nemen. De onderzoekers construeerden een "golfpakket", een combinatie van vele mogelijke kwantumtoestanden, om het pad van het universum door de tijd te volgen. Hun berekeningen toonden aan dat de gemiddelde expansiesnelheid van dit kwantumuniversum een traject volgt dat zeer sterk lijkt op de klassieke inflatoire oplossing, wat suggereert dat geometrische inflatie een levensvatbare manier is om het universum te starten zonder een mysterieus inflatonveld nodig te hebben.

De studie onderzocht ook een universum gevuld met straling, een toestand die nog gebruikelijker is in de zeer vroege momenten van de oerknal. Dit geval bleek aanzienlijk complexer te zijn. De vergelijkingen die de kwantumtoestand van een met straling gevuld universum in dit geometrische kader beheersen, omvatten een type calculus bekend als fractionele afgeleiden, die te maken hebben met veranderingen die niet hele getallen zijn, maar breuken. Dit is een zeldzaam en moeilijk gebied binnen de wangkunde in de fysica. De onderzoekers gebruikten geavanceerde numerieke methoden om deze vergelijkingen op te lossen, en vonden dat de kwantumgolffunctie nog steeds een coherent beeld gaf van de evolutie van het universum. Hoewel het gedrag fragieler was dan in het geval met stof, wezen de resultaten nog steeds op een universum dat inflatie kan ondergaan en vervolgens kan overgaan in een standaard expansie, met name in een van de twee geteste modellen.

De bevindingen suggereren dat het universum wellicht geen speciaal, onzichtbaar veld nodig heeft om zijn snelle vroege groei te verklaren. In plaats daarvan zou de complexe geometrie van de ruimtetijd zelf voldoende kunnen zijn om de inflatie aan te drijven die ons kosmos heeft gevormd. De onderzoekers hebben aangetoont dat door deze geometrische modellen te kwantiseren, zij een golffunctie voor het universum konden afleiden die zich natuurlijk ontwikkelt van een inflatoire fase naar het universum dat we vandaag de dag zien. Hoewel de wiskundige instrumenten die nodig waren om deze vergelijkingen op te lossen complex waren, en sommige aspecten van het met straling gevulde universum analytisch moeilijk vast te stellen blijven, bieden de numerieke simulaties sterk bewijs dat geometrische inflatie een robuust alternatief is voor standaardtheorieën. Het werk opent een nieuwe deur naar het begrijpen van de kwantumoorsprong van het kosmos, waarbij wordt aangetoond dat de vroegste momenten van het universum wellicht geschreven zijn in de taal van de geometrie in plaats van in de taal van nieuwe deeltjes.