Een hypothese over donkere energie
Donkere energie is een mysterieus en onzichtbaar fenomeen dat verantwoordelijk wordt gehouden voor de versnelde uitdijing van het universum. Hoewel het meer dan 70% van de totale energie in het heelal uitmaakt, weten wetenschappers nog weinig over de exacte aard en oorsprong ervan.
Einstein heeft, ondersteund door Lorentz, zijn relativiteitstheorie ontwikkeld op basis van twee uitgangspunten.
- De lichtsnelheid is in vacuüm altijd en overal constant.
- De natuurwetten gelden voor het hele universum.
Die laatste bewering is geldig voor de door ons gekende materiële wereld. Omdat we niet weten wat donkere energie is weten we ook niet of daar de materiële natuurkunde geldig is. En dat geeft ruimte voor een gedachtenexperiment over donkere energie.
Het begin van ons heelal was een verstoring in het veld van de donkere energie
Donkere energie bestond al een eeuwigheid voor de oerknal. Die eeuwigheid moet letterlijk worden genomen. De ruimte was in zijn oneindigheid gevuld met stabiele donkere energie en de tijd bestond nog niet. Er bestaat dus geen lege ruimte.
Op een willekeurige plek in die oneindigheid ontstond door toeval of door de hand van god een verstoring van die stabiele toestand. Door die verstoring ontstaat beweging en dus tijd.
Thomas van Aquino was een filosoof en theoloog uit de 13e eeuw. Hij stelde dat het universum een ordelijke en zinvolle creatie is die door god als eerste beweger in gang is gezet.
Door die verstoring ontstaat beweging en dus tijd. Door de beweging in het veld van de donkere energie zullen er zwaartekrachtverschillen worden gegenereerd. Hierdoor komen er grote hoeveelheden energie vrij. De consequentie van deze gedachten is dat de oerknal niet vanuit een singulariteit uit het niets is ontstaan, maar dat het begin van ons heelal bepaald werd door een verstoring in het altijd en overal aanwezige veld van donkere energie.
De consequentie van deze gedachtegang is dat de zwaartekracht de materie maakt en niet de materie de zwaartekracht.
Met de oerknal, zoals hierboven is gedefinieerd, werd de tijdruimte zoals wij die ervaren, geboren.
De verstoring is zich aan het herstellen naar een evenwicht
Volgens de op dit moment gangbare mening binnen de wetenschap bestaat het ons bekende heelal uit 5% bekende materie en 95% uit ons onbekende materie. Bij dit gedachtenexperiment is het ons bekende heelal maar een stip in de oneindige ruimte. Bij de inflatie, die optrad direct na de oerknal kregen de donkere energie en de donkere materie binnen de ontstane ruimte ieder hun eigen functie. De donkere energie zal proberen het oorspronkelijke evenwicht van voor de oerknal te herstellen door de ruimtetijd zover te laten expanderen dat de materie van onze wereld zich weer oplost tot donkere energie. De donkere materie draagt precies zoveel bij aan de massa van de sterrenstelsels dat deze kunnen bestaan zonder door de centrifugaal krachten uit elkaar te vliegen.
De ons bekende materie in ons heelal is dus een exponent van de donkere materie en de donkere energie en heeft er een innige relatie mee.
Zwaartekracht wordt gezien als een veld
In de interstellaire ruimte zijn twee velden actief, de elektromagnetische velden en de zwaartekrachtvelden. De elektromagnetische velden hebben voor de moderne natuurkunde weinig geheimen meer. Het fenomeen zwaartekracht is nog een vrijwel zwarte doos. De effecten zijn duidelijk en goed geformuleerd waarbij Newton en Einstein hun bijdrage hebben geleverd, maar wat zwaartekracht precies is weet men niet. Einstein zag het als een veld, maar wat is een veld?
Dit gedachtenexperiment wil ik met twee argumenten onderbouwen waarbij we niet vast blijven zitten aan opgebouwde en vastzittende theoretische kennis. Zet dat even opzij.
Edmund Husserl, grondlegger van de fenomologie beschreef dit als een kijken naar dingen op een intuïtieve manier.
Het uitgangspunt van het gedachtenexperiment is de vraag waarom de lichtsnelheid een begrenzing kent van 299.792,458 meter / seconde. Veronderstel dat die snelheid wordt bepaald door het medium waar het licht door gaat. Dat is de overal aanwezig donkere energie.
Eerste argument
Aan het begin van de twintigste eeuw hebben Michelson en Morley experimenteel vastgesteld dat licht, onafhankelijk van de snelheid van de waarnemer altijd dezelfde snelheid heeft. Ook hebben ze vastgesteld dat er geen ether bestaat waarmee de ruimte is gevuld. Deze vaststelling heeft alleen betrekking op de ons bekende materiele wereld. De begrippen donkere energie en uitdijend heelal bestonden toen nog niet.
De snelheid van het licht wordt in sterke mate bepaald door het medium waardoor het reist. In een vacuüm, waar geen ons bekende materie aanwezig is, beweegt licht met zijn maximale snelheid. Wanneer licht door andere media reist, zoals lucht, water of glas, ondervindt het interacties met de deeltjes in dat medium, waardoor het vertraagt. Deze interactie kan worden beschreven door de brekingsindex van het medium.
De brekingsindex (n) van een materiaal is een maat voor hoe veel het licht vertraagt wanneer het door dat materiaal beweegt. Het wordt gedefinieerd als de verhouding van de snelheid van licht in een vacuüm (c) tot de snelheid van licht in het medium (v):
–
Hoe hoger de brekingsindex, hoe meer het licht vertraagt. Hierbij een aantal voorbeelden van de lichtsnelheid door een bepaald medium ter vergelijk:
Donkere energie, die overal in het universum aanwezig is, kan theoretisch een effect hebben op de snelheid waarmee licht reist. Hoewel dit nog een onderwerp van intens onderzoek is, suggereert het dat de eigenschappen van de ruimte zelf ook een rol kunnen spelen bij het bepalen van de lichtsnelheid.
In een vacuüm bereikt licht zijn maximale snelheid, waarbij die maximale snelheid in interactie met de donkere energie wordt bepaald. Dit is nog een onderwerp van speculatie en onderzoek. Begrijpen hoe licht zich gedraagt in verschillende omstandigheden helpt ons om de fundamentele wetten van het universum beter te begrijpen.
Tweede argument
Het concept van energie is fundamenteel in de natuurkunde, en een van de meest fascinerende manifestaties hiervan is de energie van een zwaartekrachtveld. Zwaartekracht is een van de vier fundamentele krachten in het universum en speelt een cruciale rol in de structuur en dynamiek van alles, van kleine objecten tot immense sterrenstelsels. .
Volgens de wetten van Newton is zwaartekracht een aantrekkingskracht die werkt tussen twee massa’s. Deze kracht is evenredig met het product van de massa’s en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen hen. Deze wet is bekend als de Wet van Universele Gravitatie.
Energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd; het kan alleen worden omgezet van de ene vorm naar de andere. In het geval van een object in een zwaartekrachtveld, wordt kinetische energie omgezet in potentiële energie en vice versa. Dit principe van behoud van energie helpt ons te begrijpen hoe objecten bewegen onder invloed van zwaartekracht.
De Algemene Relativiteitstheorie geeft een dieper inzicht in het fenomeen zwaartekracht. In deze theorie wordt zwaartekracht niet zozeer gezien als een kracht, maar als een kromming van ruimtetijd veroorzaakt door massa en energie. De energie van een zwaartekrachtveld in het kader van de algemene relativiteit wordt geassocieerd met de kromming van de ruimtetijd.
De energie van een zwaartekrachtveld is een diepgaand onderwerp dat de kern raakt van enkele van de meest fundamentele vragen in de natuurkunde. Van Newton‘s wetten die de basisprincipes uitleggen, tot Einstein’s theorie van algemene relativiteit die ons een dieper begrip van de ruimtetijd biedt, blijft de studie van zwaartekracht een fascinerend en dynamisch veld. Door de voortdurende detectie en analyse van zwaartekrachtsgolven, blijven we nieuwe inzichten verkrijgen in de complexe en prachtige dans van massa en energie in het universum.
Zwaartekrachtvelden bestaan en hebben krachten waarvan de invloed, net als bij elektromagnetische velden, omgekeerd evenredig zijn met het kwadraat van de afstand. Maar waaruit die velden bestaan is niet bekend. Bij licht spreken we van fotonen als lichtquanten, bij zwaartekracht weten we het niet.
Wat we wel weten is dat de zwaartekracht zich niets aantrekt van het medium waar doorheen het zijn invloed uitoefent. Zowel in vacuüm als in onze atmosfeer is het effect van de zwaartekracht hetzelfde. Alleen de massa heeft invloed.
Zo kom ik terug op het begin van mijn gedachtenexperiment. De ruimte is oneindig en gevuld met ‘donkere energie’. Het begrip oneindige ruimte is in strijd met onze intuïtie. Onze intuïtie zegt dat er altijd een grens moet zijn, hoe ver die ook weg ligt. Het vraagt een grote lenigheid van geest om te beseffen dat oneindig ook echt oneindig betekent. Er is dus geen grens aan die oneindigheid en dus ook niet aan de oneindigheid van de donkere energie. In deze oneindigheid is ons heelal tot ontwikkeling gekomen, zoals er waarschijnlijk vele heelals zijn ontstaan. De energie die voor deze ontwikkeling nodig was, werd geleverd door de overal aanwezige donkere energie.
In ons heelal heerst gemiddeld een extreem vacuüm. In dit vacuüm zijn er echter nog steeds moleculen en atomen aanwezig, zij het in zeer lage concentraties. Wetenschappers schatten dat de gemiddelde dichtheid van materie in het heelal ongeveer één waterstofatoom per kubieke meter is. Dit geeft aan dat de interstellaire ruimte vrijwel leeg is en dus vrijwel geen ons bekende materie bevat. Toch is het heelal gevuld met door zwaartekrachtgolven. Door de kracht van deze golven is, in interactie met de donkere energie, ons heelal geordend. Waar die “veranderende ordening” uiteindelijk uitkomt is niet te voorspellen.
Zwolle, 1-02-2025
Piet Vogel