Inleiding

a. Het anthropisch principe

Ons heelal heeft vlak na de big bang zeer specifieke begin-parameters gehad om te worden zoals het nu wordt waargenomen: uitgezet tot 13,5 miljard lichtjaren. Dit staat bekend onder de fine-tuning van ons heelal. Dit geeft dan aanleiding tot het formuleren van het anthropisch principe. Dat principe bestaat uit het twee soorten. Het zwak- en sterk anthropisch principe. De basis eigenschappen van ons heelal, zoals zijn omvang, vorm, leeftijd en wetten moet worden op een zodanige wijze worden waargenomen dat de evolutie van de waarnemers wordt toegelaten. Wanneer een andere mogelijke heelal zou zijn ontstaan zonder eveolutie van waarnemers dan zou ook geen vraag gseteld worden over de vorm van het heelal. Het is een feit dat de begin-parameters van het heelal zeer fijn afgestemd moeten worden om ons heelal te krijgen. Ons bestaan werkt dus als een selectie-effect voor de eigenschappen van het heelal! Alleen de leeftijd al: veel waarschijnlijker is het dat een heelal een levensduur zou hebben vergelijkbaar met de Planck-tijd, t=5.10^-44 seconde omdat de belangrijke gebeurtenissen in de natuurkunde zich afspelen in die orde. Dit is het zwakke anthropisch principe. In feite was ook de theorie van Copernicus dat niet de aarde maar de zon het middelpunt van ons zonnestelsel is een zwak-antropische selectie. Ptolemeus had een ingewikkelde theorie nodig om het ( schijnbaar) teruglopen van planeten te verklaren. Dat was nodig omdat hij de aarde als middelpunt zag. Deze theorie verviel met Copernicus: wij zien de beweging van de planeten vanaf de bewegende aarde.

Het anthropisch principe kan ook als een soort zelf-referentie gezien worden: het universum neemt zichzelf waar.

De evolutie van het heelal wordt o.a. bepaald door natuurwetten ( bijvoorbeeld krachten) die vastliggen door specifieke natuurconstanten. Als voorbeeld nemen we de zwaartekracht van Newton:

G is de gravitatie constante. Wanneer de waarde van deze constante een zeer kleine fractie anders zou zijn, zal het heelal geheel anders zijn geevolueerd! Een ander voorbeeld is de verhouding van de sterkte van de electro-magnetische kracht en de kern kracht. Deze krachten zijn verantwoordelijk voor de stabiliteit van de atomen. Wanneer deze verhouding een miniscule fractie anders zou zijn, zouden geen koolstof atomen kunnen bestaan en dus geen evolutie van leven. Nog indrukwekkender is het niet aanwezig zijn van anti-materie in ons heelal ( althans, nog geen evidentie gevonden). Toch zijn alle fundamentele wetten invariant voor het verwisselen van materie in ant-materie ( tegelijk met het verwisselen van de lading van de deeltjes; men noemt dit charge-parity (CP)-invariantie). Maar we vinden veel meer "gewone" materie. Er moet dus in het vroege begin een kleine verstoring opgetreden zijn! Er zijn theorieen die deze asymmetrie (CP-violatie) verklaren.In botsings proeven, waarbij bepaalde mesonen vervallen, heeft men een zeer kleine CP asymmetrie gevonden. Echter deze resultaten zijn niet geheel in overeenstemming met de waarnemingen. Misschien is voor de verklaring de geunificeerde theorieen over de 4 natuurkrachte nodig om deze CP-violatie te kunnen verklaren. (Zie Modern Physics in menu)

Er bestaat dus een samenloop van omstandigheden wat betreft de waarde van deze natuurkonstanten opdat het leven gebaseerd op koolstof kon ontstaan. De natuurconstanten MOETEN deze specifieke waarde hebben, anders geen leven. De kans hierop is uiterst klein. Men noemt dit het sterke anthropisch principe. Het zwakke anthropisch principe laat een zekere "natuurlijke selectie" toe.

b. Hoe het anthropisch principe is te vermijden

Om het anthropisch principe te omzeilen, kan men veronderstellen dat ons heelal een van de oneindige vele universums is. De 13,5 miljard jaar evolutie vond alleen in ons heelal plaats met een zeer kleine kans. Er zullen vele universums zijn die een veel kortere leeftijd hebben of een big crunch zullen krijgen. Velen beschouwen het als noodzakelijk om het multiverse idee aantenemen om van het "vage" anthropisch principe af te zijn. Ook is er een mogelijkheid dat ons heelal cycli ondergaat van uitzetting en samentrekking waarbij de natuurconstanten telkens veranderen.

Ook is er een inflationair model: ons heelal onderdeel is van een enkele "bubbel" die op verschillende manieren kan uitzetten. Er zijn meerdere bubbels met verschillende eigenschappen. Deze bubbels bevinden zich in een ruimte waar wij dan ook deel van zijn. Het inflationaire model wordt bevestigd door waarnemingen van WMAP sateliet die heel nauwkeurig de struktuur van het vroege begin van ons heelal in kaart heeft gebracht.

Wanneer ons heelal een periode kende van zeer snelle expantie, lost dit bovendien een aantal grote problemen op uit het standaard cosmologisch model.

Een geheel ander model van multiverses is het quantum-kosmologisch model van de beroemde fysisi Hawking, Wheeler en Everett. Het is gebasseerd op de beginselen van de quantum mechanica. Een soort" many-world"-interpretatie in het groot. In de beschrijving van het gedrag van elementaire deeltjes gebruikt men vaak een wiskunde die de kans uitrekent van een bepaade "geschiedenis" die de deeltjes kunnen hebben ( zie ook modern physics cursus).

Recente ontwikkelingen op het gebied van de beschrijving van de elementaire deeltjes en natuurkrachten leveren een geheel nieuw beeld van de multiverses. De heilige graal van de fysica is het vinden van een TOA ( zie lecture TOA), een theorie van "alles". Dit zou een theorie zijn die niet allen de 3 krachten van de micros-wereld, de electromagnetishe en de sterket en zwakke kernkrachten, verenigen in 1 theorie, maar ook de zwaartekracht. M-theorie zou de ultime unificatie kunnen leveren. Het zou alle natuurconstanten voorspellen en er zouden zeer vele kosmologisch modellen mogelijk zijn. Misschien wel te veel ! De mogelijke kosmologische modellen treden op als minima van de vacuum energie. De theorie zou ook kunnen verklaren waarom de kosmologische constante zo klein zou zijn ( zie lecture modern physics). Er kleven ook nadelen aan deze moderne M-theorie. Zo zouden er 10 of 11 dimensies nodig zijn! Bovendien zijn de elementaire deeltjes niet meer punt-deeltjes, maar lijntjes ( strings) die in verschillende eigentrillingen kunnen voorkomen ( dit is in verband met analogieen wel interessant: Bohr had eigentrillingen van het electron nodig om het atoommodel te kunnen verklaren!). Maar het grootste bezwaar is ( zie bijvoorbeeld het vernietigende betoog van R. Pensore in "Road to Reality") het enorme aantal vrijheidsgraden van het model. Bovendien zou er op geen enkele manier proefondervindelijk een bewijs geleverd kunnen worden door experimenten.

Eind jaren 90 kwamen twee fysici Randall en Sundrum met een spectaculair model van multiverses. Op dat moment waren er 3 fundamentele vragen waarop men geen antwoord had:

A. Waarom zijn er juist 3 ruimtecoordinaten en 1 tijd coordinaat. Waarom zien we geen extra dimensies.

B. Waarom is de verhouding van de electro-magnetische kracht ( en de zwakke kern kracht, dus de electro-weak schaal) en de de Planck-massa zo klein ( 10^-16). De electro-weak theorie is de theorie die de electro-magnetische kacht en de zwakke kernkracht als 1 theorie behandelt. Het Higgs deeltje is in feite de "drager" met zijn nog niet-ontdekte status en massa( zie ook modern-physics). De Planck-massa is de schaal waar de zwaartekracht pas te vergelijken is met de andere krachten ( electro-magnetische en de zwakke en sterke kernkrachten). Dit probleem wordt het hierarchy-probleem genoemd.

C. Waarom is de cosmologische constante (of dark energy, of vavuum energy) zo klein.

Parallel universums

Inflationair model

Quantum-kosmologisch model

String-lanscape model

Randall model: botsende branes?

Bewijs via WMAP, CERN?