hoe nieuwsgieriger we worden over de grote kosmische onbekenden, hoe meer onbeantwoorde vragen ons onderzoek van het universum zal onthullen. Vragen naar de aard van iets — waar het is, waar het vandaan komt en hoe het is ontstaan — zal je onvermijdelijk naar dezelfde grote mysteries leiden: over de uiteindelijke natuur en oorsprong van het universum en alles wat erin zit. Maar, hoe ver we ook terug gaan, dezelfde aanhoudende vragen lijken altijd te blijven: op een gegeven moment bestonden de entiteiten die ons “uitgangspunt” zijn niet noodzakelijk, dus hoe zijn ze ontstaan? Uiteindelijk kom je bij de ultieme vraag: Hoe is iets uit het niets ontstaan? Zoals veel recente vragenstellers, waaronder Luke Martin, Buzz Morse, Russell Blalack, John Heiss en vele anderen hebben geschreven:

” Okay, you sure receive this question endlely, but I shall ask nevery: How did something(the universe / big bang) come from nothing?”

dit is misschien wel een van de grootste vragen van allemaal, omdat het in principe niet alleen vraagt waar alles vandaan kwam, maar hoe alles in de eerste plaats is ontstaan. Dit is wat de wetenschap ons heeft gebracht, tenminste, tot nu toe.

vandaag, wanneer we naar het universum kijken, wijzen de volledige reeks waarnemingen die we hebben verzameld, zelfs met de bekende onzekerheden in aanmerking genomen, allemaal in de richting van een opmerkelijk consistent beeld. Ons universum is gemaakt van materie (in plaats van antimaterie), gehoorzaamt overal en altijd dezelfde wetten van de fysica, en begon — althans, zoals we het kennen — met een hete oerknal zo ‘ n 13,8 miljard jaar geleden. Het wordt geregeerd door algemene relativiteit, het expandeert, koelt en graviteert, en het wordt gedomineerd door donkere energie (68%) en donkere materie (27%), met normale materie, neutrino ‘ s en straling die de rest vormen.

vandaag de dag is het natuurlijk vol met sterrenstelsels, sterren, planeten, zware elementen, en op ten minste één locatie intelligent en technologisch geavanceerd leven. Deze structuren waren er niet altijd, maar ontstonden als gevolg van kosmische evolutie. In een opmerkelijke wetenschappelijke sprong konden wetenschappers uit de 20e eeuw de tijdlijn reconstrueren van hoe ons universum van een grotendeels uniform universum, verstoken van complexe structuur en uitsluitend bestaande uit waterstof en helium, naar het Structuurrijke universum dat we vandaag waarnemen.

als we vanaf vandaag beginnen, kunnen we terug in de tijd stappen en vragen waar een individuele structuur of component van die structuur vandaan kwam. Voor elk antwoord dat we krijgen, kunnen we dan vragen: “ok, maar waar komt dat vandaan en hoe is dat ontstaan,” teruggaand tot we gedwongen worden te antwoorden, “we weten het niet, tenminste nog niet.”Dan kunnen we eindelijk overwegen wat we hebben, en vragen, “Hoe is dat ontstaan, en is er een manier dat het uit het niets kan zijn ontstaan?”

dus, laten we beginnen.

het leven dat we vandaag hebben komt van complexe moleculen, die moeten zijn ontstaan uit de atomen van het periodiek systeem: de grondstoffen waaruit alle normale materie bestaat die we vandaag in het universum hebben. Het universum werd niet geboren met deze atomen; in plaats daarvan, ze vereist meerdere generaties van sterren leven-en-sterven, met de producten van hun nucleaire reacties gerecycled in toekomstige generaties van sterren. Zonder dit zouden planeten en complexe chemie een onmogelijkheid zijn.

om moderne sterren en sterrenstelsels te vormen, hebben we:

• zwaartekracht te trekken kleine sterrenstelsels en sterrenhopen in elkaar, het creëren van grote sterrenstelsels en het activeren van nieuwe golven van stervorming,
• die nodig reeds bestaande collecties van de massa, gemaakt van zwaartekracht groei,
• die vereisen dat de donkere materie halo ‘ s vormen al vroeg in het voorkomen van de vorming van sterren afleveringen van het uitwerpen van die kwestie terug in het intergalactische medium,
• waarvoor de juiste balans van de normale materie, donkere materie, en straling naar aanleiding van de kosmische microgolf achtergrond, de lichte elementen gevormd in de hot Big Bang, en de abundanties / patronen die we in hen zien,
• die initiële zaadfluctuaties — dichtheidsimperfecties-vereiste om gravitationeel tot deze structuren te groeien,
• die een of andere manier vereisen om deze onvolkomenheden te creëren, samen met een of andere manier om donkere materie te creëren en de initiële hoeveelheden normale materie te creëren.

dit zijn drie belangrijke ingrediënten die nodig zijn, in de vroege stadia van de hete oerknal, om het universum te creëren zoals we het vandaag waarnemen. Ervan uitgaande dat we ook de wetten van de fysica en de ruimtetijd zelf nodig hebben om te bestaan — samen met materie/energie zelf — willen we die waarschijnlijk opnemen als de noodzakelijke ingrediënten die op de een of andere manier moeten ontstaan.

dus, kortom, als we vragen of we een universum kunnen krijgen uit het niets of niet, dit zijn de nieuwe, tot nu toe onverklaarde entiteiten die we nodig hebben om een of andere manier te ontstaan.

om meer materie dan antimaterie te krijgen, moeten we extrapoleren naar het zeer vroege heelal, naar een tijd waarin onze fysica zeer onzeker is. De wetten van de fysica zoals we ze kennen zijn in zekere zin symmetrisch tussen materie en antimaterie: elke reactie die we ooit hebben gecreëerd of waargenomen kan alleen materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden creëren of vernietigen. Maar het universum dat we hadden, ondanks het begin in een ongelooflijk hete en dichte staat waar materie en antimaterie beide in overvloedige, overvloedige hoeveelheden konden worden gecreëerd, moet een manier hebben gehad om een materie/antimaterie asymmetrie te creëren waar er aanvankelijk geen bestond.

er zijn vele manieren om dit te bereiken. Hoewel we niet weten welk scenario zich in ons jonge universum heeft afgespeeld, houden alle manieren om dit te doen de volgende drie elementen in.:

1. een uit evenwicht zijnde reeks voorwaarden, die van nature ontstaan in een uitdijend koeluniversum,
2. een manier om baryon-nummer-overtredende interacties te genereren, die het standaardmodel toelaat door sphaleron-interacties (en scenario ‘ s die verder gaan dan het standaardmodel op extra manieren toestaan),
3. en een manier om voldoende C-en CP-overtreding te genereren om een asymmetrie van materie/antimatterij in voldoende grote hoeveelheden te creëren.

het standaardmodel bevat al deze ingrediënten, maar niet genoeg. Als je een materie/antimaterie symmetrisch universum beschouwt als “een universum met niets”, dan is het bijna gegarandeerd dat het universum iets uit niets heeft gegenereerd, ook al weten we niet precies hoe het gebeurde.

evenzo zijn er veel haalbare manieren om donkere materie te genereren. We weten — door uitgebreid testen en zoeken — dat wat donkere materie ook is, het niet kan bestaan uit deeltjes die aanwezig zijn in het standaardmodel. Wat zijn ware aard ook is, het vereist nieuwe fysica die verder gaat dan wat nu bekend is. Maar er zijn vele manieren waarop het gemaakt had kunnen worden, waaronder:

• van het thermisch ontstaan in het hete, vroege universum, en vervolgens niet volledig vernietigen, en daarna stabiel blijven (zoals het lichtste supersymmetrische of Kaluza-Klein-deeltje),
• of van een faseovergang die spontaan optrad toen het heelal uitdijde en afkoelde, waarbij massieve deeltjes uit het kwantumvacuüm (bijvoorbeeld het axion) werden gerukt,
• als een nieuwe vorm van een neutrino, die zelf kan mengen met de bekende neutrino ‘ s (d.w.z. een steriel neutrino), of als een zwaar rechtshandig neutrino dat naast de conventionele neutrino ‘ s bestaat,
• of als een zuiver gravitatieverschijnsel dat aanleiding geeft tot een ultra-massief deeltje (bijvoorbeeld een WIMPzilla).

Waarom is er donkere materie, vandaag, als de rest van het heelal lijkt te werken prima vroeg op zonder het? Er moet een manier zijn geweest om dit “ding” te genereren waar zoiets niet eerder was, maar al deze scenario ‘ s vereisen energie. Waar komt al die energie dan vandaan?

volgens de kosmische inflatie — onze leidende theorie over de oerknal-oorsprong van het heelal — kwam het misschien echt uit het niets. Dit vereist een beetje uitleg, en is wat het vaakst wordt bedoeld met ” een universum uit het niets.”(Inclusief, trouwens, zoals het werd gebruikt in de titel van het boek met dezelfde naam.)

wanneer je je de vroegste stadia van de hete oerknal voorstelt, moet je denken aan iets ongelooflijk heet, dicht, hoog-energie, en bijna perfect uniform. Als we vragen: “Hoe is dit ontstaan,” hebben we meestal twee opties.

1. we kunnen de Lady Gaga route gaan, en gewoon beweren dat het moet zijn ” geboren op deze manier.”Het universum werd geboren met deze eigenschappen, die we initiële voorwaarden noemen, en er is geen verdere verklaring. Als theoretisch natuurkundige noemen we deze aanpak “opgeven.”
2. of we kunnen doen wat theoretische fysici het beste doen: proberen een theoretisch mechanisme te bedenken dat de initiële omstandigheden zou kunnen verklaren, door concrete voorspellingen te plagen die afwijken van de standaard, de voorspellingen van de heersende theorie en vervolgens uit te gaan om de kritische parameters te meten.Kosmische inflatie kwam tot stand als gevolg van die tweede benadering, en het veranderde letterlijk onze opvatting over hoe ons universum tot stand kwam.
   

   in plaats van “heet en dicht” terug te extrapoleren naar een oneindig hete, oneindig dichte singulariteit, zegt inflatie in feite: “misschien werd de hete oerknal voorafgegaan door een periode waarin een extreem grote energiedichtheid aanwezig was in het weefsel van de ruimte zelf, waardoor het universum zich uitbreidde met een meedogenloze (inflatoire) snelheid, en toen de inflatie eindigde, werd die energie overgebracht naar materie-en-antimaterie-en-straling, wat we zien als de hete oerknal: de nasleep van inflatie.”

   in bloederig detail, dit creëert niet alleen een universum met dezelfde temperatuur overal, ruimtelijke vlakheid, en geen overgebleven relikwieën uit een hypothetische grote Verenigde tijdperk, maar voorspelt ook een bepaald type en spectrum van zaad (dichtheid) schommelingen, die we vervolgens gingen en zagen. Vanuit de lege ruimte zelf-hoewel het lege ruimte is gevuld met een grote hoeveelheid veldenergie — heeft een natuurlijk proces het hele waarneembare universum gecreëerd, rijk aan structuur, zoals we het vandaag de dag zien.

   dat is het grote idee om een universum uit het niets te krijgen, maar het is niet voor iedereen bevredigend.

   voor een groot deel van de mensen is een universum waar ruimte-en-tijd nog steeds bestaan, samen met de wetten van de fysica, de fundamentele constanten en een aantal niet-nul veldenergie inherent aan het weefsel van de ruimte zelf, zeer ver verwijderd van het idee van het niets. We kunnen ons immers een locatie buiten de ruimte voorstellen; een moment buiten de grenzen van de tijd; een reeks voorwaarden die geen fysieke realiteit hebben om ze te beperken. En die voorstellingen — als we deze fysieke werkelijkheden definiëren als dingen die we moeten elimineren om het ware niets te verkrijgen — zijn zeker geldig, althans filosofisch.

   maar dat is het verschil tussen filosofische niets en een meer fysieke definitie van niets. Zoals ik in 2018 schreef, zijn er vier wetenschappelijke definities van niets, en ze zijn allemaal geldig, afhankelijk van je context.:

   1. een tijd waarin uw “ding” van belang niet bestond,
   2. lege, fysieke ruimte,
   3. lege ruimtetijd in de laagst mogelijke energietoestand, en
   4. wat u nog hebt als u het hele universum en de wetten die het beheersen wegneemt.

   we kunnen zeker zeggen dat we “een universum uit niets” verkregen hebben als we de eerste twee definities gebruiken; we kunnen niet als we de derde gebruiken; en heel jammer genoeg weten we niet genoeg om te zeggen wat er gebeurt als we de vierde gebruiken. Zonder een fysische theorie om te beschrijven wat er buiten het universum en buiten het domein fysische wetten gebeurt, is het concept van het ware niets fysiek slecht gedefinieerd.

   In de context van de natuurkunde, is het onmogelijk om een idee van het absolute niets te begrijpen. Wat betekent het om buiten ruimte en tijd te zijn, en hoe kan ruimte en tijd op een verstandige, voorspelbare manier voortkomen uit een staat van niet-bestaan? Hoe kan ruimtetijd ontstaan op een bepaalde locatie of tijd, als er geen definitie is van locatie of tijd zonder dat? Waar komen de regels voor quanta — zowel de velden als de deeltjes — vandaan?

   deze gedachtegang gaat er zelfs van uit dat ruimte, tijd en de wetten van de fysica zelf niet eeuwig waren, terwijl ze dat in feite wel kunnen zijn. Alle stellingen of bewijzen van het tegendeel zijn gebaseerd op veronderstellingen waarvan de geldigheid niet goed is vastgesteld onder de voorwaarden die we zouden proberen om ze toe te passen. Als je een fysieke definitie van “niets” accepteert, dan ja, het universum zoals wij het kennen lijkt heel erg uit niets te zijn ontstaan. Maar als je fysieke beperkingen achter je laat, dan verdwijnt alles over onze ultieme kosmische oorsprong.

   helaas voor ons allen wist inflatie, door zijn aard, alle informatie die zou kunnen worden afgedrukt uit een reeds bestaande toestand op ons waarneembare universum. Ondanks de grenzeloze aard van onze verbeelding, kunnen we alleen maar conclusies trekken over zaken waarvoor tests met betrekking tot onze fysieke werkelijkheid kunnen worden geconstrueerd. Het maakt niet uit hoe logisch een andere overweging ook klinkt, inclusief een notie van absoluut niets, het is slechts een constructie van onze geest.

   stuur uw ask Ethan vragen naar startswithabang op gmail dot com!