Verleden, heden en toekomst van ons absurde heelal Alles uit Niets Verleden, heden en toekomst van ons absurde heelal Jan Pieter van der Schaar Instituut voor Theoretische Fysica Universiteit van Amsterdam Studium Generale Delft 2007: “β-wetenschappers schrijven de geschiedenis” Uitgangspunt: `beta-wetenschappers schrijven de geschiedenis’, dus de geschiedenis en toekomst van ons heelal. Daarnaast aandacht voor het `multiversum’ en de mogelijkheid om de bijzondere eigenschappen van ons heelal te verklaren met behulp van het `antropische principe’ (oftewel `geen bijzondere reden voor het bestaan van ons heelal, `principe van copernicus’, zelfs ons heelal is niet bijzonder!). Eigenlijk wel een prettige gedachte, en het probleem van de `speciale’ waarden van de natuurconstanten verdwijnt. Definitie kosmologie Terug in de tijd: de CMB De vreemde eigenschappen van het heelal: ons absurde heelal Inflatie als dynamische verklaring voor ons absurde heelal String theorie: emergente ruimte-tijd en het multiversum De kosmologische constante: fijn-afstelling Copernicus principe: we zijn niet speciaal! De toekomst?

Alles uit Niets Introductie Kosmologie Eigenschappen van ons heelal Een reis door de (ruimte-) tijd Eigenschappen van ons heelal Theorie en observatie Donkere, en andere, mysteries Dynamisch verklaarbaar of gewoon toeval? Fijn-afstelling parameters Inflatie en de oorsprong van structuur Quantum ruimte-tijd en het multiversum De Toekomst? Beknopt overzicht van mijn lezing: (1) op reis in ruimte en tijd, terug naar het begin, (2) Wat weten we en hoe, en welke bijzondere eigenschappen heeft ons heelal (3) Mysteries van de oerknal: toeval of moest het zo zijn, (4) Inflatie verklaart veel, maar niet alles, (5) quantum ruimte-tijd en het multiversum, (6) Toekomst Ruimte en tijd gerelateerd: grote afstanden impliceert verder terug in de tijd! Kosmologie: observationele wetenschap sinds ~ 90’s, grote verassingen, grote mysteries Geschiedenis: leren uit het verleden, zijn de eigenschappen van ons heelal (dynamisch) verklaarbaar vanuit het verleden en/of onvermijdelijk? Fijn-afstelling parameters in ons heelal: moest het zo zijn? Lijkt ongelooflijk toeval? Inflatie als een gedeeltelijke verklaring, maar hoe nu verder? QG, string theorie, multiversum speculatie. Toekomst heelal en toekomst Kosmologie

Kosmologie Oorsprong, evolutie en toekomstig lot van ons heelal als geheel Hubble expansie: 1929 voor het eerst gemeten expansie van ons heelal, roodverschuiving, hoe verder weg, des te groter de relatieve snelheid tov ons (denk aan opblazen ballon, of rijzend brood). De ruimte tussen de melkwegstelsels dijt uit (dus geen lokale versnelling van de melkwegstelsels), in overeemstemming met Einstein’s algemene relativiteitstheorie (Alexander Friedmann 1922). Dat betekent automatisch ook dat ons heelal in het verleden dus veel kleiner was! Oerknal idee. Einstein’s algemene relativiteitstheorie: ruimte-tijd heeft een eigen dynamiek, de tijd een begin, het heelal een eigen geschiedenis

Kosmologische meetlat 1 parsec (pc) ~ 3,3 lichtjaar Andromeda ~ 770 kiloparsec (kpc) Afstand Aarde-Zon: 1 Astronomical Unit (AU) ~ 8 lichtminuten ~ 1011 meter Natuurlijke kosmologische afstandsmaat: parsecs of lichtjaren Belangrijk: een lichtjaar is de afstand die het licht in een jaar aflegt, dat betekent dus dat alles wat we zien ons een blik op het verleden geeft. Zon: 8 minuten, sterren: jaren geleden, melkwegstelsels >> 2 miljoen jaar geleden (homo erectus) Dichtsbijzijnde sterren Paar lichtjaren ~ 1016 meter Melkweg ~ 30 kpc ~ 100.000 lichtjaar ~ 1021 meter

Kosmologisch principe Typisch volume sterrenstelsel cluster ~ miljoen kubieke parsecs Favoriete eenheid kosmologen: Megaparsec (Mpc) ~ 1022 meter T=2,725 K Ons heelal ziet er op het eerste gezicht misschien klonterig uit (veel structuur), maar naarmate we naar grotere (kosmologische) afstanden gaan neemt die klonterigheid af en gaat het heelal er steeds uniformer (homogener) uitzien. Het beste bewijs zien we hier: wederom, hoe groter de afstand, hoe langer geleden, dus op de typische kosmologische afstanden van meer dan 100 Mpc zien we het heelal zoals het meer dan 300 miljoen jaar geleden uitzag, toen ons heelal veel kleiner was. Het allerbeste bewijs voor het feit dat ons heelal eigenlijk heel homogeen is wordt geleverd door de zogenaamde kosmische achtergrondstraling: baby-foto van ons heelal, toen er nog geen melkwegstelsels waren en fotonen (lichtdeeltjes) voor het eerst vrij konden bewegen (ontkoppelden van het plasma) omdat voor het eerst neutrale atomen gevormd werden (waterstof/helium). Deze fotonen, die dus niet van sterren afkomstig zijn zien we nog steeds, maar door de roodverschuiving nu in het microgolf (golflengte 2 mm, zichtbaar licht ~ 600 nanometer, miljoen keer zo klein) gebied, sterker nog: 1% tv ruis. Uit alle richtingen, met een temperatuur van 2,725 kelvin, 1000 keer zo koud als de zon, uniform over alle richtingen aan de hemel. Per toeval ontdekt als hardnekkige ruis door Penzias en Wilson. Hete oerknal, temperatuur loopt op verder terug in de tijd. Gevormd toen het heelal 1000 x zo klein was, ongeveer 300.000 jaar na de oerknal. Afkomstig van een oppervlak zo’n 15.000 Mpc van ons verwijderd, grootte van ons zichtbare heelal. 380 duizend jaar (ABB) Clusters en superclusters van sterrenstelsels ~ 100 Mpc Op afstanden groter dan 100 Mpc: homogeen, isotroop Heelal Kosmische achtergrondstraling: tot op 0,001% uniform

Kosmologische tijdlijn Beknopte historie van ons heelal. Nogmaals: verder weg betekent verder terug in de tijd, toen het heelal veel kleiner was. Uit de oersoep van deeltjes ontstonden later alle structuren. Met behulp van theorieen van de elementaire deeltjes berekende men: 75% waterstof, 25% helium, overeenkomstig met wat we meten. Het merendeel van de gewone materie in ons heelal is waterstof en helium, verspreid in gaswolken rondom melkwegstelsels. Toen atomen werden gevormd stroomden de lichtdeeltjes ongestoord in onze richting – CMB fotonen. Als ons heelal perfect homogeen was geweest dan waren structuren ontstaan! Verder terug (waar we slechts indirect toegang tot hebben) komen we uiteindelijk terecht in een fase waar onze bekende natuurwetten hun geldigheid lijken te verliezen. Dicht opeengepakte materie, zeer hoge temperaturen en energieën: extreme omstandigheden, bestaande theorieën uiteindelijk niet langer geldig

Kosmische achtergrondstraling Penzias/Wilson (Nobel 1978) COBE (Nobel 2006) … WMAP ESA PLANCK (2008) Eigenschappen van ons heelal in belangrijke mate bepaalt door Kosmische achtergrondstraling! Nobelprijzen galore. Nagloed oerknal. Eerste licht, 1000x kleiner, 300 duizend jaar oud heelal, transparant, vanuit alle richtingen bijna gelijk. Observaties: COBE, WMAP, PLANCK. Homogene temperatuur: hete oerknal, kleine fluctuaties in temperatuur door fluctuaties in plasma, veel info over Kosmologische parameters. CMB ontleden: variaties op verschillende schalen aan de hemel, oscilleert, max ~ 2 graden, relatieve grootte pieken en dalen Bepalen de waardes van veel, zo niet alle, kosmologische parameters Nagloed van de oerknal Zeer uniform T=2,725 K Oorsprong structuur in gemeten kleine variaties

De CMB als vingerafdruk Kritische dichtheid: ~ 10 waterstof atomen per kubieke meter Temperatuurvariaties in de CMB van orde 1/100.000 !

Precisie kosmologie Voor 1990 : 35 < H0 < 100 In schril contrast met electron magnetisch moment :

Zoeken naar Supernova’s Supernova Cosmology Project (S. Perlmutter) High-Z SN Search Team (B. Schmidt)

Versnelde expansie Grote schok voor (theoretisch) natuurkundigen! Anti-gravitatie voorbeeld: energie van het vacuum, de kosmologische constante Λ Theorie ~ [1018 GeV]4 Observatie ~ [10-3 eV]4 Factor 10-120 verschil!

Bron: schaal-invariant Ons absurde heelal Hete oerknal ΔT/T =1/100.000 Bron: schaal-invariant ΩTOT=1

Fundamentele vragen Oorsprong van ruimte en tijd Donkere sector Wat `knalde’ er en waarom Waarom zo groot, oud en plat Waarom zo bijzonder uniform Donkere sector Samenklonterend: materie Niet samenklonterend: `energie’

Parameters lijken nauwkeurig afgestemd! Ons toevallige heelal? Parameters lijken nauwkeurig afgestemd! Dichtheidsvariaties/homogeniteit Platheid/kritische dichtheid Donkere energie Massa’s elementaire deeltjes Sterkte fundamentele krachten …

Fijn-afstelling oerknal Kritische dichtheid Plat heelal Horizon probleem: homogeniteit CMB temperatuur onverklaarbaar zadelvorming heelal Sub-kritisch bolvormig heelal Super-kritisch Horizon-probleem: informatie uitwisseling onmogelijk tussen verschillende delen van de CMB hemel! Waarom dan toch dezelfde temperatuur, het is alsof is twee volstrekt niet gerelateerde mensen vraagt wat voor getal ze in hun hoofd hebben en dat ze beiden hetzelfde getal noemen.

Oorsprong van structuur?

Kosmologische Inflatie Kritische dichtheid Plat heelal Oerfase van exponentiele expansie, bron: vacuum energie Straal ~ 10-30 m, duur ~ 10-36 s, expansie factor >1030 Voorspelt homogeen, plat en groot uitdijend heelal

Inflaton veld Energie-schaal inflatie ~ GUT schaal: 1016 GeV Verklaart platheid en homogeniteit Hete oerknal: vervallend inflaton veld Ons zichtbare heelal 1026 m 10-30 m

Dichtheidsvariaties Quantum fluctuaties! Inflatie verklaart in één klap de oorsprong van de expansie van ons heelal, de platheid, homogeniteit en het ontstaan van structuur : ALLES UIT (bijna) NIETS

Oorsprong van ruimte-tijd Quantum ruimte-tijd: quantum gravitatie String Theorie Storingstheorie, extra dimensies noodzakelijk Microscopische vrijheidsgraden lijken in niets op de ruimte-tijd zoals wij die kennen, ruimte-tijd is emergent, net zoals temperatuur en entropie emergente eigenschappen zijn Lijkt vele oplossingen te hebben Werk in uitvoering…

Uni-of-multiversum? Mogelijke verklaring fijn-afstelling parameters Meerdere universa (> 10200) Verschillende parameters (Λ, mn, …) Ultieme vorm Copernicus principe Neutron mass >~ proton mass: proton -> neutron : neutron heelal, neutron in atoom onstabiel: waterstof wereld. Waarschijnlijk gerealiseerd in string theorie… Mogelijke verklaring fijn-afstelling parameters i.h.b. de kosmologische constante

De Toekomst Kosmologische constante? Observaties? Theorie? Big Crunch? De tijd zal het leren: miljarden jaren Observaties? ESA Planck (2008) CERN LHC (2008) Polarisatie CMB; `smoking gun’ inflatie Verrassingen? Theorie? Quantum gravitatie (string theorie) Donkere sector (supersymmetrie) Inflatie en deeltjesfysica …? The WMAP Science Team is acknowledged for providing many of the figures and animations