het Multiversum III een eindeloos heelal

Presentatie over: "het Multiversum III een eindeloos heelal"— Transcript van de presentatie:

1 het Multiversum III een eindeloos heelal
eeuwige inflatie en het multiversum John Heise, SRON-Ruimteonderzoek Nederland in Utrecht test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff HOVO2016, Utrecht 26 feb 2016

2 Vorige keer: energie van het vacuum
Verwacht in vacuum virtuele deeltjes met gemiddeld energie nul Dat is niet zo, blijkt uit Donkere Energie in de waarnemingen (we leven in een versneld expanderend heelal) Dat is een groot onopgelost probleem beschreven met een (onbekend) scalair veld vacuum streeft naar toestand van minimum energie, MAAR BOVENDIEN: ● energie-sprongen omhoog door fluctuaties op kleine schaal ● kwantum-tunneling uit minimum (vals vacuum) naar lager minimum (echt vacuum) test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff

3 de inflatie-gedachte leidt automatisch tot een multiversum
Hete Oerknal-model heeft problemen (vooral in het begin) in een achtergrond-wereld met wisselende vacuum-energie verspringt in een punt de energie (door fluctuaties) naar een hoge waarde (vals vacuum; snelle uitdijing) op te lossen met inflatie (exponentiele expansie; oorzaak) er ontstaat een zich uitbreidende bubbel in een snel uitdijende achtergrond test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff waarin het proces zich kan herhalen: nieuwe bubbels met een onderlinge afstand die sneller toeneemt dan de groei van iedere bubbel

4 multiversum multiversum andere universa "eiland heelallen")
eeuwig uitdijend vals vacuum andere universa "eiland heelallen") multiversum ons universum waarneembare heelal test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff

5 multiverse in fast-forward
de expansie van de achtergrond is in dit plaatje a.h.w. stilgezet HOVO

6 Stap voor stap test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb
cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff

7 Oerknal model: belangrijke (bijna metafysische) vragen blijven
● Wat was er vóór de Oerknal? (vroeger verboden vraag) ● waarom overal hetzelfde ? (zo homogeen, constante dichtheid) ● waarom in alle richtingen hetzelfde? (isotroop) ● waarom begint het overal op hetzelfde moment? (horizon-probleem) ● waarom is het heelal vlak? (bij willekeurig begin, kans daarop miniem) ● waarom is het heelal zo groot? (en bevat het zoveel deeltjes?) ● Hoe is dit symmetrische heelal toch structuur ontstaan ("zaailingen") HOVO

8 vóór de oerknal vóór de oerknal  geen tijdperk voor de Oerknal
kwantum-emergentie 10-43 sec Planck-tijdperk kwantum-gravitatie multiversum+ inflatie test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff cyclisch universum

9 Inflatie-theorie ● Inflatie-theorie: vlak voor de Oerknal
onderging het heelal een extreem korte periode van extreme expansie ● Inflatie-theorie lost veel problemen van de Oerknal-theorie op Planck-lengte 10-33 cm Massa~10-5 gram HOVO

10 schaalfactor universum met inflatie
in m inflatie-periode ● schaalfactor a op logaritmische schaal Standaard oerknal ● tijd ook op logaritmische schaal ● singulier (oneindige dichtheid en temperatuur) schaal universum NU ● eindig! HOVO

11 Korte geschiedenis van het heelal
gelijkmatig met kleine fluctuaties fluctuatie-versterker kosmische achtergrond straling fractie van een seconde eerste sterren Heet Dicht “Glad” jaar NU 200 miljoen jaar Koud verdund Klonterig 13.7 miljard jaar HOVO (Graphics from Gary Hinshaw/WMAP team)

12 Oerknal-probeem 1: begin-voorwaarden zeer speciaal
● een afwijking in de gemiddelde dichtheid in het begin in de 24e decimaal na de komma, levert een radicaal ander heelal op na 14 miljard jaar (NU) ● begin met Ω = ρ/ρcritical ~1 ● wat maakte dat begin precies goed? HOVO

13 begin-voorwaarden vanzelf speciaal door inflatie
● Ω = ρ/ρcritical = 1 betekent vlakke ruimte HOVO

14 Oerknal probleem 2: het horizon-probleem
Fysische invloed kan niet sneller dan het licht 1 seconde na het begin reikt die niet verder dan 1 lichtseconde Hoe kan het heelal overal hetzelfde zijn als er geen geen onderlinge invloed geweest kan zijn? Een bijna perfect heelal Kosmische achtergrondstraling overal Kelvin nauwkeurigheid 1:100000 HOVO

15 illustratie horizon-probleem
● Zet iedereen in deze zaal plotseling op 1000 lichtjaar afstand in allemaal verschillende richtingen illustratie horizon-probleem ● onderlinge communicatie is dan traag 1000 lichtjaar ● een latere onderzoeker ontdekt dat iedereen volgens dezelfde mode van 2016 gekleed is, zonder onderlinge communicatie Hoe kan dat? Dat kan alleen als iedereen oorspronkelijk bij elkaar zat. Dat model heet INFLATIE-MODEL HOVO

16 tijdruimte bij horizonprobleem (probleem steeds groter op vroege tijden)
Melkweg- stelsels B (wij) tijd lichtsnelheid A ruimte horizon A horizon B HOVO

17 Na inflatie binnen horizon
tijd horizon B A ruimte horizon A HOVO

18 Probleem 3: symmetrisch gaaf heelal, hoe toch structuur ontstaan?
door kleine afwijking van de symmetrie en een zwaartekracht-instabiliteit ● iets hogere materie-dichtheid ("zaailing")  dan iets sterkere zwaartekracht  trekt meer materie naar die locatie  vergoot de materiedichtheid ● Inflatie verklaart zaailingen als door extreme expansie opgerekte kwantum-fluctuaties HOVO

19 antwoorden over het begin van de oerknal door inflatie:
● de singulariteit is opgeheven: nu eindig begin ● waarom begon het universum homogeen en isotroop? (oorspronkelijke samenstelling is onbelangrijk geworden) ● waar zijn de fossielen uit het allerheetste? (extreem verdund!) test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff ● horizonprobleem van de oerknal opgelost ● vlakheidsprobleem opgelost

20 Wat maakt dat het heelal zich opblaast in de inflatieperiode?
Onbekend! dus: iets nieuws (zgn. scalair veld) in de Einstein- veldvergelijking (energie-inhoud bepaalt de expansie) vele suggesties: -Higgs-veld -vals vacuum -chaotic inflation -slow role inflation -meer dan 1 inflatieveld HOVO

21 inflatie vereist: Scalaire Velden
● eenvoudiger dan vector-veld zoals Elektriciteit ● in ieder punt van de ruimte één waarde ● bv het heelal is doordrongen van een Higgs-veld ● "Lorentz-invariant": voor iedereen hetzelfde (soort ideale ether) HOVO

22 energiebehoud van het inflatie-veld
● zonder uitdijing: heen en weer schommeling ● met uitdijing: sterke demping door H (schommel in stroop)  Scalaire veld gaat traag naar minimum energie HOVO

23 inflatie-veld voorbeeld
● hoge energie bij Planck-dichtheid: "tijdruimte schuim", te heet voor deeltjes ● ontstaan deeltjes; Oerknal met langzame uitdijing HOVO

24 scalair veld geeft ook Hubble-expansie H
schaalfactor a, groei in a is ȧ, dan geeft de Einstein veldvergelijking ● vacuum 𝐻2= ȧ a 2= constant  exponentiele expansie ● materie 𝐻2= ȧ a 2~ ρ𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒 ~ 1 𝑎3 (neemt af als materie verdund) ● scalaire velden Φ met m hier een of andere constante (massa inflaton)  scalaire velden geven exponentiele expansie HOVO

25 logica van inflatie ● hoog Inflatieveld Φ  grote Hubble-constante H 
grote "frictie"  daardoor trage verandering in Φ ● potentiele energie blijft lang bijna constant HOVO

26 Multiverse, hoe waar te nemen?
y x HOVO

27 Multiverse ontwikkeling in de tijd
x HOVO

28 Penrose diagram van een bubbel-botsing
Speciale kaart met lichtkegels overal onder een hoek van 45 graden; CMB = Cosmic Background Radiation Aarde foton CMB foton CMB xx inflatie botsende bubbel onze bubbel moeder vals vacuum moeder vals vacuum bubbelranden bubbelranden HOVO

29 Penrose diagram van een bubbel-botsing
Speciale kaart met lichtkegels overal onder een hoek van 45 graden; CMB = Cosmic Background Radiation Aarde foton CMB foton CMB xx inflatie botsende bubbel onze bubbel moeder vals vacuum moeder vals vacuum bubbelranden bubbelranden HOVO

30 simulatie bubbel-botsing
aantal verdubbelingen in de schaalfactor HOVO

31 Correlatie tussen de korrels? dan komt dat uit de inflatie-periode
Temperatuur microgolf-achtergrondstraling iedere 'korrel' is een horizon op t= jaar Correlatie tussen de korrels? dan komt dat uit de inflatie-periode HOVO

32 Hoe zie je een bubbelbotsing in de kosmische achtergrondstraling
Als een plek met een struktuur groter dan de 'korrels' (groter dan ong 1 graad) in deze simulatie zoals linksboven, rechtsboven samen met de echte achtergrondstraling linksonder, rechtsonder zijn analyse-technieken om ze op te sporen HOVO

33 Anomalieën extreem grote koude plek in de achtergrond
Van 10 volle manen manen (ong. 1o) in sterrenbeeld Eridanus. 4o som van 50 voids de koudste plek NB alles wat buiten 2 volle manen (ong. 1o) ligt, kan niet één geheel vormen (ligt buiten horizon van het heelal op de leeftijd van jaar) Misschien een "supervoid" (superholte) op afstand 6 miljard lichtjaar, z = 1? Zou dan de grootste structuur in het heelal zijn, groter dan kan bestaan misschien een botsend universum? HOVO

34 relatie mens-kosmos test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb
cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff

35 Relatie tussen sterren en de mens (1) Waarom is het heelal zo groot?
● omdat het heelal al zo oud is en expandeert en het zo lang duurt voordat wij er zijn: ontstaan van het leven duurt: ~4.5 miljard jaar Het heelal heeft precies de juiste grootte ● Niet te klein (onvoldoende tijd voor sterren) ● Niet te groot (koud, leeg en uitgebluste sterren ) HOVO

36 Relatie tussen sterren en de mens (2) Noodzaak van sterren
● De aanmaak van de elementen produktietijd van elementen in de sterren ~5 miljard jaar ● De zon ontstond 5 miljard jaar geleden De zon ontstond precies op het juiste moment ● niet te vroeg (te weinig Silicium voor rotsen, te weinig koolstof, stikstof, zuurstof) ● niet te laat (sterren uitgebrand) HOVO

37 ● hergebruik van die elementen binnen sterrenstelsel
Relatie tussen sterren en de mens (3) Noodzaak van sterrenstelsels zoals de melkweg ● hergebruik van die elementen binnen sterrenstelsel te kleine melkweg en alles verdwijnt in de ruimte te zware en compacte melkweg: sterbotsingen verstoren planeetbanen (onvoldoende tijd voor biologische evolutie) ● Melkwegstelsels dus "precies goed" HOVO

38 Relatie tussen sterren en de mens (3) Oerknal: niet te heet en niet te koud
alle waterstof zou al opgebrand zijn tot zware elementen geen energie meer in sterren (onvoldoende tijd voor biologische evolutie) ● te koud: heelal zou te vroeg doorzichtig worden en zich opsplitsen in te kleine cellen met te kleine sterrenstelsels waaruit later alle zware elementen zouden ontsnappen en geen planeten konden vormen ● Oerknal dus "precies goed" HOVO

39 In de bewoonbare zone ● We leven in de bewoonbare zone rond de Zon
Niet te heet en niet te koud (vloeibaar water) ● Massa van de Aarde is precies goed Niet te zwaar, zodat de lichtste elementen Waterstof en Helium kunnen ontsnappen en een hard oppervlak achterblijft Niet te licht, zodat een atmosfeer (zuurstof, koolzuur) behouden kan worden HOVO

40 sprookje van Goudlokje en de drie beren
In het huis van de drie beren (grote -, middel - en kleine beer) is ● één stoel precies pas, niet te groot en niet te klein ● één bed precies lekker, niet te hard en niet te zacht ● de pap precies op temperatuur, niet te heet en niet te koud HOVO

41 De Aarde zit in de Goudlokje-positie
vier reacties mogelijk: ● niet toevallig, maar zo is het nu eenmaal want als het anders was, waren we er niet geweest (afhankelijke waarschijnlijkheden) ● welwillende goddelijke voorzienigheid zo is het ontworpen (evolutie met een bedoeling, bijv. de mens of minder antropocentrisch: complexe vormen)) ● latere definitieve theorie verklaart toevalligheden ● Martin Rees en anderen: wij zitten in een speciaal universum, onderdeel van een Multiversum HOVO

42 Zwaartekracht precies goed voor ontstaan leven op aarde
Constante van Newton G is niet dimensieloos (dimensie Newton. (m/kg)2 meestal gebruikt men N, de verhouding tussen de elektrische kracht en de zwaartekracht van proton, N = 1036 N is groot, kleine zwaartekracht, daarom is het heelal zo groot HOVO

43 sterke kernkracht bindt deeltjes en atoomkernen
proton neutron HOVO

44 De sterke kernkracht moet opbotsen tegen afstotende elektrische ladingen
fusie gebeurt daarom alleen bij hoge temperatuur HOVO

45 De sterke kernkracht kernfusie: energiebron van sterren
4 waterstof-atomen ● vormen uiteindelijk 4Helium massa Helium=99.3% van 4 waterstof-atomen, via Deuterium efficiëntie ε =0.007 natuurconstante die de sterke kernkracht kenmerkt HOVO

46 Te kleine kernkracht: ε =0.006 geen vorming van p+n  Deuterium
en dus ook niet de volgende stappen: geen Helium, geen Koolstof, geen Stikstof, geen Zuurstof geen elementen en geen chemie in het heelal wel vorming van (steriele) sterren, maar geen explosies als Supernova en dus geen rotsplaneten kernkracht met ε =0.006 is te klein! wij zouden er dan niet zijn HOVO

47 Te grote kernkracht: ε =0.008 extra binding van p+p  di-proton
Alle waterstof zou 3 minuten na de oerknal al gebonden zijn tot Helium, daarna C,N,O en meteen door naar meest stabiele atoomkern IJzer Wel vorming van ijzeren sterren, maar snel opgebrand geen energie meer over voor "zonnewarmte" kernkracht met ε =0.008 is te groot! HOVO

48 sterke kernkracht: ε =0.007 precies goed
Zelfs: afwijking van ε =0.007 groter dan 4% dan geen vorming van Koolstof uit 3x Helium (via Beryllium) en dus geen mens (Hoyle) HOVO

49 Marin Rees: "Just Six Numbers"
N = verhouding elektrostatische - en zwaarte-kracht ε = efficiency van productie kern-energie Ω = 1 afstemming uitdijingssnelheid en de zwaartekracht Λ = fractie donkere energie: versnelde uitdijing Q = 10-5 verhouding bindings- tot rustmassa-energie in eerste structuren (Kosmische Achtergrond Straling) te klein: geen binding, te grote Q: alleen maar Zwarte Gaten D = 3 een drie-dimensionale ruimte (D=4 zou geen leven toelaten) HOVO

50 Kosmologische Principes
● Copernicaans principe: wij hebben geen bijzondere positie in het universum: alle plaatsen zijn gemiddeld hetzelfde ● Perfecte Copernicaans principe (in Steady State Theorie) alle plaatsen en tijden zijn gemiddeld hetzelfde  We leven in een geprivilegieerde tijd, een gouden eeuw, waarin leeftijd heelal ≈ leeftijd hoofdreeks-sterren (het zgn. sterhoudende tijdperk) HOVO

51 Antropisch Principe: nauw verband tussen ons mens-zijn en de eigenschappen van het heelal
● Zwak antropisch principe: iedere waarneming impliceert dat er intelligent leven moet zijn. Het is niet vreemd dat wij in zo'n heelal leven, in een ander heelal zouden we niet bestaan. (open deur/ nietszeggende tautologie/ andere heelallen zijn theoretisch onbewijsbaar; HOVO

52 Antropisch Principe: ● Sterk antropisch principe:
Het universum moet noodzakelijkerwijs zo zijn dat het leven mogelijk maakt, andere universa bestaan niet. te metafysisch, 't neemt aan dat het universum een doel heeft; doet geen voorspellingen niet falsificeerbaar ontmoedigt wetenschappelijk onderzoek HOVO

53 het Multiversum-idee Iedere wereld heeft zijn eigen natuurconstanten
de meesten leven kort en laten geen complexe biologie toe wij hebben daardoor automatisch de Goldilockpositie HOVO

54 Einde Toch aardig als u de volgende keer naar de sterrenhemel kijkt:
die weidsheid, die sterren die sterrenstelsels, het bestaat allemaal omdat u bestaat omdat een multiversum alle mogelijkheden toelaat test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff