Een idee voor hoe het universum begon, is dat het universum mogelijk uit het niets is verschenen vanwege een kwantumeffect, zoals kwantumtunneling. In 1980, Stephen Hawking en James Hartle werkten dit idee verder uit door te suggereren dat tijd niet bestond vóór het begin van het heelal, wat hen ertoe bracht te concluderen dat het universum geen initiële randvoorwaarden heeft, zowel in tijd als in ruimte. Het idee wordt het 'geen-grensvoorstel' of de 'Hawking-Hartle-staat' genoemd.

Echter, het was een uitdaging om precies te beschrijven hoe een fysiek systeem kan overgaan van een nulgrootte naar een eindige grootte. Om de betrokken kwantumeffecten te beschrijven, natuurkundigen gebruiken de padintegraalformulering, waarbij een enkel klassiek traject wordt herschreven als een integraal over vele mogelijke trajecten, resulterend in een kwantumamplitude.

Hoewel de padintegraalformulering succesvol is in het beschrijven hoe iets uit het niets kan ontstaan, een groot probleem is dat het onstabiele verstoringen voorspelt, wat impliceert dat het heelal in hoge mate niet-homogeen en niet-isotroop is. Omdat bekend is dat het universum ongeveer zowel homogeen als isotroop is (wat betekent dat het er op alle locaties en vanuit alle richtingen hetzelfde uitziet), volgens het kosmologische principe, de padintegraalformulering beschrijft het waargenomen universum niet nauwkeurig. Dit heeft ertoe geleid dat sommige wetenschappers hebben geconcludeerd dat het voorstel zonder grenzen geen nauwkeurige beschrijving kan geven van de oorsprong van het universum.

Nu in een nieuwe krant, natuurkundigen Alice Di Tucci en Jean-Luc Lehners van het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) in Potsdam, Duitsland, hebben aangetoond dat de padintegraalformulering kan worden gebruikt op een manier die instabiliteiten vermijdt, terwijl het nog steeds een consistente definitie van het voorstel zonder grenzen biedt.

"Ik denk dat de grootste betekenis is dat onze nieuwe definitie niet de opkomst van het universum beschrijft vanuit een volledige afwezigheid van ruimte en tijd, " vertelde Lehners Phys.org . "Liever, de nieuwe wiskundige voorwaarden, die we moesten opleggen om instabiliteiten te voorkomen, kan worden geïnterpreteerd als te zeggen dat er al fluctuaties van ruimte en tijd bestonden. Dit is in feite wat je in ieder geval van de kwantumtheorie zou verwachten, aangezien het kwantumonzekerheidsprincipe impliceert dat er altijd fluctuaties moeten zijn, vermoedelijk zelfs van ruimte en tijd."

Het nieuwe voorstel combineert verschillende ideeën die eerder zijn voorgesteld om het probleem met instabiliteiten op te lossen. Hun werk verandert in wezen de geometrie van de ruimte waarover de padintegraal wordt gedefinieerd. De padintegraal, die de toestand van het universum op een bepaald moment vertegenwoordigt, passeert bepaalde kritieke punten die zadelpunten worden genoemd, die overeenkomen met mogelijke Hawking-Hartle staten.

Echter, de meeste van deze zadelpunten zijn onstabiel. Een van de belangrijkste wijzigingen die de natuurkundigen in het nieuwe artikel hebben aangebracht, was het wijzigen van de randvoorwaarden voor de gehele geometrie (door Robin-randvoorwaarden te gebruiken) om de onstabiele zadelpunten van het pad van de padintegraal te verwijderen. In de nieuwe geometrie de padintegraal gaat door slechts één zadelpunt, die stabiel is, waardoor het probleem met instabiliteiten wordt vermeden. Op dit stabiele zadelpunt, er bestaat een Hawking-Hartle-staat die voldoet aan het voorstel zonder grenzen.

Door een stabiele methode te demonstreren voor het formuleren van het voorstel zonder grenzen, de resultaten kunnen leiden tot een heroverweging van het idee als een beschrijving voor de oorsprong van het universum. Nog altijd, er zijn nog veel vragen.

"In de toekomst zijn we van plan om te zien hoe robuust onze nieuwe definitie is bij het opnemen van aspecten uit de snaartheorie, wat de meest geavanceerde poging is tot een volledige theorie van kwantumzwaartekracht, "Zei Lehners. "Ook, we zijn van plan om te onderzoeken of er andere stabiele definities van het voorstel zonder grenzen kunnen bestaan, of dat onze nieuwe in zekere zin uniek is. En een grote vraag die overblijft is of we er toetsbare/waarneembare gevolgen uit kunnen afleiden."

© 2019 Wetenschap X Netwerk