Het is vernederend, maar astrofysici zijn de eersten om het toe te geven. Ons beste theoretische model kan maar 5% van het heelal verklaren. De overige 95% bestaat, zoals bekend is, bijna volledig uit onzichtbare, onbekend materiaal genaamd donkere energie en donkere materie. Dus ook al zijn er een miljard biljoen sterren in het waarneembare heelal, ze zijn eigenlijk uiterst zeldzaam.

De twee mysterieuze donkere stoffen kunnen alleen worden afgeleid uit zwaartekrachtseffecten. Donkere materie kan een onzichtbaar materiaal zijn, maar het oefent een zwaartekracht uit op omringende materie die we kunnen meten. Donkere energie is een afstotende kracht die ervoor zorgt dat het universum steeds sneller uitdijt. De twee zijn altijd behandeld als afzonderlijke fenomenen. Maar mijn nieuwe studie, gepubliceerd in Astronomie en astrofysica , suggereert dat ze allebei deel kunnen uitmaken van hetzelfde vreemde concept - een enkele, verenigde "donkere vloeistof" van negatieve massa's.

Negatieve massa's zijn een hypothetische vorm van materie die een soort negatieve zwaartekracht zou hebben en al het andere materiaal om hen heen zou afstoten. In tegenstelling tot de bekende positieve massa materie, als een negatieve massa werd geduwd, het zou naar je toe versnellen in plaats van van je af.

Negatieve massa's zijn geen nieuw idee in de kosmologie. Net als normale materie, negatieve massadeeltjes zouden meer verspreid raken naarmate het universum uitdijt - wat betekent dat hun afstotende kracht in de loop van de tijd zwakker zou worden. Echter, studies hebben aangetoond dat de kracht die de versnellende uitdijing van het heelal aandrijft, meedogenloos constant is. Deze inconsistentie heeft er eerder toe geleid dat onderzoekers dit idee hebben laten varen. Als er een donkere vloeistof bestaat, het mag na verloop van tijd niet dunner worden.

In de nieuwe studie Ik stel een wijziging voor van Einsteins algemene relativiteitstheorie om negatieve massa's niet alleen te laten bestaan, maar continu te creëren. "Mattercreatie" was al opgenomen in een vroege alternatieve theorie voor de oerknal, bekend als het Steady State-model. De belangrijkste veronderstelling was dat (positieve massa) materie continu werd gecreëerd om materiaal aan te vullen naarmate het universum uitdijt. We weten nu uit observationeel bewijs dat dit onjuist is. Echter, dat betekent niet dat er niet continu negatieve massa-materie kan worden gecreëerd. Ik laat zien dat deze veronderstelde donkere vloeistof nooit te dun wordt uitgesmeerd. In plaats daarvan gedraagt ​​het zich precies als donkere energie.

Ik ontwikkelde ook een 3D-computermodel van dit hypothetische universum om te zien of het ook de fysieke aard van donkere materie zou kunnen verklaren. Donkere materie werd geïntroduceerd om het feit te verklaren dat sterrenstelsels veel sneller ronddraaien dan onze modellen voorspellen. Dit houdt in dat er nog wat onzichtbare materie aanwezig moet zijn om te voorkomen dat ze uit elkaar draaien.

Mijn model laat zien dat de omringende afstotende kracht van donkere vloeistof ook een sterrenstelsel bij elkaar kan houden. De zwaartekracht van het positieve massastelsel trekt negatieve massa's uit alle richtingen aan, en naarmate de negatieve massavloeistof dichter bij het melkwegstelsel komt, oefent het op zijn beurt een sterkere afstotende kracht uit op het melkwegstelsel waardoor het met hogere snelheden kan draaien zonder uit elkaar te vliegen. Het lijkt er daarom op dat een eenvoudig minteken een van de langst bestaande problemen in de natuurkunde kan oplossen.

Is het universum echt zo raar?

Je zou kunnen zeggen dat dit een beetje vergezocht klinkt. Maar hoewel negatieve massa's bizar zijn, ze zijn aanzienlijk minder vreemd dan je meteen zou denken. Voor starters, deze effecten kunnen ons alleen maar eigenaardig en onbekend lijken, omdat we in een regio wonen die wordt gedomineerd door positieve massa.

Of het nu fysiek echt is of niet, negatieve massa's hebben al een theoretische rol op een groot aantal gebieden. Luchtbellen in water kunnen worden gemodelleerd met een negatieve massa. Recent laboratoriumonderzoek heeft ook deeltjes gegenereerd die zich precies zo gedragen als wanneer ze een negatieve massa zouden hebben.

En natuurkundigen zijn al vertrouwd met het concept van negatieve energiedichtheid. Volgens de kwantummechanica, lege ruimte bestaat uit een veld van fluctuerende achtergrondenergie die op sommige plaatsen negatief kan zijn - wat aanleiding geeft tot golven en virtuele deeltjes die in en uit het bestaan ​​springen. Dit kan zelfs een kleine kracht creëren die in het laboratorium kan worden gemeten.

De nieuwe studie zou kunnen helpen bij het oplossen van veel problemen in de moderne natuurkunde. Snaartheorie, wat onze beste hoop is om de fysica van de kwantumwereld te verenigen met Einsteins theorie van de kosmos, wordt momenteel gezien als onverenigbaar met observationeel bewijs. Echter, snaartheorie suggereert wel dat de energie in de lege ruimte negatief moet zijn, die de theoretische verwachtingen voor een negatieve massa donkere vloeistof bevestigt.

Bovendien, het team achter de baanbrekende ontdekking van een versnellend universum ontdekte verrassend genoeg bewijs voor een negatieve massakosmologie, maar nam de redelijke voorzorg om deze controversiële bevindingen als "onfysiek" te interpreteren.

De theorie zou ook het probleem van het meten van de uitdijing van het heelal kunnen oplossen. Dit wordt verklaard door de wet van Hubble-Lemaître, de waarneming dat verder weg gelegen sterrenstelsels met een hogere snelheid weg bewegen. De relatie tussen de snelheid en de afstand van een sterrenstelsel wordt bepaald door de "Hubble-constante", maar metingen ervan zijn blijven variëren. Dit heeft geleid tot een crisis in de kosmologie. Gelukkig, een negatieve massakosmologie voorspelt wiskundig dat de Hubble "constante" in de loop van de tijd zou moeten variëren. Duidelijk, er is bewijs dat deze vreemde en onconventionele nieuwe theorie onze wetenschappelijke aandacht verdient.

Waar te gaan vanaf hier?

De schepper van het veld van de kosmologie, Albert Einstein, hebben - samen met andere wetenschappers, waaronder Stephen Hawking - rekening gehouden met negatieve massa's. In feite, in 1918 schreef Einstein zelfs dat zijn algemene relativiteitstheorie misschien moet worden aangepast om ze op te nemen.

Ondanks deze inspanningen, een negatieve massakosmologie zou verkeerd kunnen zijn. De theorie lijkt antwoorden te geven op zoveel openstaande vragen dat wetenschappers - terecht - nogal wantrouwend zullen zijn. Echter, het zijn vaak de out-of-the-box ideeën die antwoorden bieden op al lang bestaande problemen. Het sterk opstapelende bewijsmateriaal is nu zover gegroeid dat we deze ongebruikelijke mogelijkheid moeten overwegen.

De grootste telescoop die ooit is gebouwd – de Square Kilometre Array (SKA) – zal de verdeling van sterrenstelsels door de geschiedenis van het heelal meten. Ik ben van plan de SKA te gebruiken om zijn waarnemingen te vergelijken met theoretische voorspellingen voor zowel een negatieve massakosmologie als de standaardkosmologie - om uiteindelijk te helpen bewijzen of er negatieve massa's in onze realiteit bestaan.

Wat wel duidelijk is, is dat deze nieuwe theorie een schat aan nieuwe vragen oproept. Dus zoals bij alle wetenschappelijke ontdekkingen, het avontuur eindigt hier niet. In feite, de zoektocht om de ware aard van dit mooie te begrijpen, Verenigd, en – misschien gepolariseerd – universum is nog maar net begonnen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.