In de knoop
In de knoop

Brokken materie raakten in de knoop en vulden het piepjonge heelal net na de oerknal.

© Keith Wood/Vanderbilt

Het heelal kwam in drie dimensies uit de knoop

Een team natuurkundigen heeft het scheppingsverhaal van het heelal veranderd. In een nieuwe theorie verklaren ze hoe de materie in de knoop raakte vlak na de oerknal en zo de drie dimensies van ruimte creëerde waarin we leven.

31 juli 2018 door Rolf Haugaard Nielsen

Rick en Emma spreken af in een ­restaurant op Manhattan in New York, VS. Rick legt uit dat het restaurant op de hoek van 58th Street en 12th Avenue op de 8e verdieping ligt. 

Zo heeft hij de plaats beschreven met drie getallen, 58, 12 en 8 – maar hij had ook de breedte- en lengtegraad en de hoogte kunnen gebruiken. Met die drie getallen zijn alle plekken op aarde aan te duiden: de wereld is driedimensionaal.

De drie dimensies van ruimte liggen voor ons voor de hand, en daarom is er zelden onderzocht waardoor het heelal precies zo in elkaar steekt.

Maar nu heeft een groep natuurkundigen een nieuwe theorie ontwikkeld die dit verschijnsel verklaart: het heelal heeft drie dimensies doordat het is ontstaan uit een exploderend netwerk van knopen.

Heelal raakt dimensies kwijt

Vandaag de dag wordt de oerknal gebaseerd op de zogeheten supersnaartheorie. 

Die stelt dat alle materie en alle energie in het heelal vlak na de oerknal bestonden uit piepkleine trillende supersnaartjes, die zich bevonden in tien dimensies van ruimte. 

Daarna dijde het nieuwbakken heelal razendsnel uit, wat we de inflatie noemen, en groeide het in een fractie van een seconde van de grootte van een elektron tot de grootte van een voetbal. 

Toen de inflatie voorbij was, had het heelal nog maar drie dimensies van ruimte.

De overgang van 10D naar 3D tijdens de uitdijing van het heelal is verenigbaar met het natuurkundemodel voor de oerknal, maar dit model kent geen wetmatigheid die tot het verschijnsel leidt, en verklaart niet hoe het gebeurde.

Natuurkundigen zoeken verklaring

Vijf natuurkundigen uit Europa en de VS stortten zich in 2012 op dit vraagstuk – en komen nu met een antwoord.

Hun theorie gaat uit van de traditionele theorieën over de oerknal in combinatie met de wiskundige knopentheorie, die stelt dat wiskundeknopen alleen kunnen bestaan in drie dimensies. 

De natuurkundigen namen ook de oersoep van het heelal in de theorie op, die bestond vanaf vlak na de inflatie tot een microseconde na de oerknal. De oersoep telde evenveel quarks als antiquarks, die ronddreven in een soep van krachtdeeltjes, gluonen geheten. 

In het huidige, afgekoelde heelal binden gluonen quarks tot protonen en neutronen en houden ze zodoende de atoomkernen bijeen.

Maar in de oersoep was alle materie miljarden graden heet en konden de bouwstenen niet ontstaan, waardoor de quarks vrij waren.

Er ontstonden wel vluchtige gluonenverbindingen tussen quarks en antiquarks. Bij de ontmoeting van materie en antimaterie vagen de deeltjes elkaar weg en worden ze straling. 

Tijdens dit proces trokken de quarks en antiquarks van elkaar weg, waardoor het gluonenelastiekje ertussen gespannen werd, kapot sprong en straling werd. 

Bij de hele vernietiging kwam genoeg energie vrij om een nieuw meson (quark en antiquark) te vormen, door een gluonenelastiek verbonden. En dat proces herhaalde zit met ontelbare mesonen.

Knopen richten de wereld in

In de nieuwe natuurkundetheorie was het echter niet genoeg dat een oersoep meteen na de inflatie ontstond. 

Daarom beschrijven de natuurkundigen een soort vergelijkbare substantie waarin de quarks en antiquarks elkaar al vóór de uitdijing opheffen, toen het heelal kleiner en veel heter was dan in de soeptoestand. 

Als de ontelbare gesprongen gluonenelastiekjes namelijk eerst knopen moeten vormen voordat ze worden omgezet in straling, zouden ze stabiel worden en heel even de deeltjesvernietiging overleven.

Volgens de berekeningen van de groep vormden de gesprongen elastiekjes samen een zeer ingewikkeld knopennetwerk.

De verknoping gebeurde vrijwel vanzelf, doordat er in het jonge heelal (dat op dat moment niet groter was dan een elektron), miljarden gluonenelastiekjes waren, die net zoals snoertjes van je koptelefoon in je zak onherroepelijk in de knoop raken.

Als het heelal net na de oerknal vooral uit een web van gluonenelastiekjes bestond, zou de constructie een enorme berg energie bevatten. 

Het netwerk zou maar een fractie van een seconde stabiel kunnen blijven en dan exploderen, waarbij alle energie in het netwerk zou vrijkomen. 

Die explosie was dan de motor achter de extreme versnelling van het heelal tijdens de inflatie, en doordat het knopennetwerk driedimensionaal was, blies het een driedimensionale ruimte op.

In Wetenschap in Beeld lees je nog veel meer over het heelal. Als je nu een abonnement neemt, doen wij je een duizelingwekkende aanbieding!

Bekijk ook ...

ONTVANG DE NIEUWSBRIEF VAN WETENSCHAP IN BEELD

Je ontvangt je gratis special, Onze extreme hersenen, als download zodra je je hebt aangemeld voor onze nieuwsbrief.

Ook gelezen

Niet gevonden wat je zocht? Zoek hier: