Stel je eens voor, als je kunt, wat het zou betekenen om een heelal te hebben met helemaal niets erin. Je zou alle verschillende kwanta van materie en energie kunnen verwijderen, zodat er een heelal overblijft zonder deeltjes of antideeltjes van welk type dan ook. Je zou alle bronnen van gravitatie of ruimtelijke kromming kunnen verwijderen, waardoor je heelal zou worden gereduceerd tot niets meer dan een lege ruimte. Je zou het heelal kunnen afschermen van alle externe elektrische, magnetische of velden die een kernkracht uitoefenen, waardoor je elke mogelijke invloed die zij kunnen hebben op de ruimtetijd die je beschouwt elimineert. Zelfs als je dat allemaal zou doen, zou je nog steeds geen “nul” krijgen op je balans voor de energie van het heelal. Dat wil Niels Hermes weten, die hem het volgende vraagt:

Zou het mogelijk zijn om een licht te schijnen op het concept van nulpuntenergie?

Het is een uitdagend concept, maar laten we er eens naar kijken.

Voor elk fysisch systeem dat we kunnen bedenken, is er altijd minstens één configuratie waarin we het kunnen plaatsen die de laagste totale hoeveelheid energie heeft. Voor een serie massa’s, geïsoleerd van de rest van het heelal, is dat een zwart gat. Voor een proton en een elektron is dat een waterstofatoom in de grondtoestand (d.w.z. met de laagste energie). En voor het heelal zelf is dat een lege ruimte in afwezigheid van externe velden of bronnen.

Die toestand van de laagste energie staat bekend als de nulpuntsenergietoestand. Lange tijd hebben wetenschappers die het heelal bestudeerden, aangenomen dat de nulpuntsenergie nul was. Niet om een natuurkundige reden, let wel, maar omdat we maar twee manieren hadden om te proberen er bij te komen, en beide gaven antwoorden die wezen op problemen met elke waarde anders dan nul.

De eerste keer dat het idee van een nulpuntsenergie van de ruimte opkwam, was in de context van Einsteins (toen nieuwe) theorie van de zwaartekracht: Algemene Relativiteit. Volgens Einstein bepaalt de kromming van de ruimte het toekomstige gedrag van materie en energie in het heelal, en de aanwezigheid van materie en energie bepaalt de kromming van de ruimte.

Nou, bijna. De aanwezigheid van materie en energie bepaalt de kromming van de ruimte bijna volledig, maar je bent vrij om aan de ruimte zelf een constante toe te voegen. (Degenen onder u die calculus hebben gevolgd, zullen deze constante herkennen als iets dat ontstaat wanneer je een integraal doet: je bepaalt het antwoord volledig, tot een additieve constante, “plus c.”) Die constante, wat het ook is, vertegenwoordigt de nulpuntenergie van de ruimte. Toen we het uitdijende heelal ontdekten, was de constante volkomen overbodig, en werd als zodanig weggegooid voor zo’n 60+ jaar.

De tweede keer dat het idee van nulpuntenergie opdook, was toen de kwantumveldentheorie aan bekendheid won. Naast alle manieren waarop deeltjes met elkaar konden interageren via de kwantumvelden die het heelal doordrongen, waren er ook “vacuüm”-bijdragen, die weergaven hoe kwantumvelden in het vacuüm van de ruimte zich gedroegen.

Individuele kanalen droegen enorme hoeveelheden bij aan wat wij de “vacuümverwachtingswaarde” van deze velden noemden, die gewoonlijk zo’n ~120 orden van grootte groter waren dan de waargenomen grenzen. Maar sommige waren positief en sommige negatief, en velen veronderstelden dat ze allemaal zouden opheffen. Bovendien werd bewezen dat sommige veldentheorieën precies gelijk waren aan vrije theorieën (waarvan de vacuümverwachtingswaarden nul waren), en dus werd ook hier aangenomen dat de nulpuntenergie nul was.

En toen, helemaal aan het eind van de 20e eeuw, gebeurde het ondenkbare. We hadden altijd verwacht dat het heelal uitdijde, dat de zwaartekracht de uitdijing afremde, en dat ofwel:

• de zwaartekracht zou winnen en de uitdijing zou omkeren,
• de uitdijing zou winnen en voor eeuwig en altijd zou blijven afremmen,
• of ze zouden precies in evenwicht zijn, en de uitdijing zou een asymptoot naar nul bereiken maar nooit helemaal omkeren.

Maar toen ontdekten we dat de uitdijing van het heelal helemaal niet langzamer ging, maar dat verre sterrenstelsels steeds sneller van ons weggingen naarmate de tijd verstreek. Het heelal bevatte niet alleen materie en straling, maar bleek ook een nieuwe vorm van energie te bevatten: wat we nu donkere energie noemen. In de 22 jaar sinds die eerste ontdekking is donkere energie niet alleen bevestigd door vele lijnen van bewijs, maar is ook aantoonbaar aangetoond dat het niet te onderscheiden is, met grote precisie, van een kosmologische constante.

Dit is waarom we ons zorgen maken over de nulpuntsenergie van de ruimte. Waarnemingen op vele gebieden – waaronder de achtergrond van de kosmische microgolf, verre lichtbronnen (zoals supernovae), en de clustering van sterrenstelsels in het heelal – wijzen allemaal op dezelfde kleine, niet-nulwaarde van de hoeveelheid donkere energie in het heelal. Het lijkt een vorm van energie te zijn die inherent is aan de ruimte zelf, het lijkt niet te veranderen met de tijd, het lijkt overal en altijd een constante dichtheid te hebben, en we weten niet wat de oorzaak is.

Daarom hebben we zo’n sterke motivatie om te proberen te begrijpen wat de nulpuntsenergie van de ruimte is: juist omdat we meten dat de uitdijing van het heelal, die ervan afhangt, niet consistent is met een waarde van nul voor deze grootheid. Net zoals waterstofatomen een eindige energie hebben in hun grondtoestand, zo moet de grondtoestandsenergie van de lege ruimte zelf dat ook hebben.

Dat brengt ons bij de grote vraag: waarom? Waarom is de nulpuntenergie van de ruimte de waarde die ze heeft? Er zijn veel plausibele antwoorden, maar elk van hen is op de een of andere manier onbevredigend.

Het zou kunnen zijn dat de kosmologische constante uit de Algemene Relativiteit gewoon de positieve waarde heeft die hij heeft. Hij mag elke waarde aannemen, en alles wat we waarnemen is in overeenstemming met het feit dat de nulpuntenergie van de ruimte een kleine, constante, positieve waarde heeft sinds het begin van de hete oerknal. Dit is aantrekkelijk omdat er geen nieuwe natuurkunde aan te pas hoeft te komen: we kunnen verklaren wat we waarnemen door één vrije parameter gelijk te stellen aan de juiste waargenomen waarde. Maar het is onbevredigend omdat er geen mechanisme of redenering is die ons helpt te begrijpen waarom de parameter de waarde heeft die hij heeft.

Atern zou het kunnen zijn dat de nulpuntsenergie van alle kwantumvelden die het heelal doordringen bij elkaar optelt tot de waargenomen waarde die nodig is voor donkere energie. Misschien, als we wisten hoe we deze waarde correct konden berekenen, zouden we tot het juiste antwoord komen.

Het probleem met dit scenario is dat we niet weten hoe we deze berekening moeten uitvoeren, en al onze pogingen geven ons een antwoord dat belachelijk veel te groot is. Het is mogelijk dat er een bijna-perfecte-maar-niet-volkomen annulering plaatsvindt, die ons naar de juiste waarde leidt, maar dat is een moeilijk voorstel om op te wedden. “

Maar er zijn ook altijd “nieuwe natuurkunde”-scenario’s te overwegen. Het is mogelijk dat er geen kosmologische constante is en geen bijdrage aan de nulpuntsenergie van de ons bekende kwantumvelden. In plaats daarvan zouden we een nieuw type veld in het heelal kunnen postuleren, dat zou kunnen zijn:

• een bijdrage van welke kwantumzwaartekrachtstheorie dan ook die correct blijkt te zijn,
• een overblijfsel van een eerdere gebroken symmetrie in het heelal (van de grote unificatieschaal, de Higgsschaal, de neutrino-sector, enz.) die de nulpuntsenergie eenvoudigweg op zijn huidige niet-nulwaarde zet,
• dat er een overblijfsel is van een hoeveelheid energie die niet helemaal naar nul is gegaan uit ons vroegere inflatie-tijdperk,
• of dat het zeer speculatieve idee van het snarenlandschap, dat zelf veel onbewezen, bewijsvrije aannames vereist over hoe het heelal zich gedroeg vóór de hete oerknal, simpelweg “terechtkwam bij de waarde die we vandaag de dag zien” voor de waarde van de nulpuntsenergie (of vacuümverwachtingswaarde) van de lege ruimte.

Bij gebrek aan een oplossing moeten alle mogelijkheden – hoe slecht gemotiveerd ze ook lijken – worden overwogen.

Maar wat het antwoord op de nulpuntsenergie puzzel ook is, er zijn twee feiten die we niet kunnen ontkennen. Het eerste is dat donkere energie echt bestaat, bevestigd door een reeks onafhankelijke bewijzen waar ons heelal gewoon niet zonder kan. Het is consistent met het hebben van een constante waarde overal in de ruimte en in de tijd: het gedraagt zich op een manier die niet te onderscheiden is van de ruimte met een niet-nul, constante nulpuntsenergie.

Het tweede feit is dat, wat de oplossing ook is, we nog steeds rekening moeten houden met de aanwezigheid van kwantumvelden – gemandateerd door de wetten van de natuurkunde – die ons heelal doordringen. Totdat we weten hoe we die waarde kunnen berekenen, vereist elke voorgestelde oplossing dat we een ongefundeerde aanname doen voor wat die waarde dan ook is. De nulpuntsenergie van de lege ruimte is niet in overeenstemming met een waarde van nul. Er zijn vele mogelijke oorsprongen voor deze waarde, maar de uiteindelijke oorzaak blijft een mysterie.

Stuur je Ask Ethan vragen naar startswithabang at gmail dot com!