Een nieuwe hypothese in de kwantumkosmologie suggereert dat het universum wordt versneld door toekomstige omstandigheden, niet door donkere energie. Staan we voor een wetenschappelijke revolutie?
Eind jaren negentig ontdekten astronomen iets verontrustends: het heelal dijt niet alleen uit, maar het dijt ook versneld uit. Deze volkomen onverwachte versnelling dwong tot de introductie van concepten als “donkere energie”, een hypothetische entiteit die de kosmos zou vullen en de expansie zou aandrijven. Maar wat als zo’n verklaring niet nodig is? Wat als het universum niet alleen beweegt door wat er aan het begin gebeurde, maar ook door wat er aan het einde zal gebeuren?
Dit is precies wat theoretisch natuurkundige Charis Anastopoulos voorstelt in een artikel dat onlangs is gepubliceerd in Physical Review D. Zijn voorstel is gedurfd: neem eindcondities op in de evolutie van het universum, niet alleen de begincondities. Met andere woorden, het lot van de kosmos zou zijn huidige gedrag beïnvloeden. Volgens zijn berekeningen is dit idee voldoende om de kosmische versnelling te verklaren zonder dat daarvoor donkere energie, exotische materie of nieuwe natuurkundige wetten nodig zijn. Een diepgaande draai aan de manier waarop we tijd, causaliteit en het universum zelf begrijpen.
Het universum als compleet kwantumsysteem
In de klassieke natuurkunde gebeuren de dingen maar in één richting: er wordt een begintoestand gecreëerd en van daaruit evolueert alles. Maar in de kwantummechanica gelden andere regels. Systemen kunnen ook worden gedefinieerd door eindtoestanden, iets dat al experimenteel wordt toegepast op kleine schaal, met technieken als postselectie. Anastopoulos voert deze logica tot het uiterste: hij past deze principes toe op de kwantumkosmologie, waarbij het hele universum wordt behandeld als één gesloten kwantumsysteem.
Dit is niet alleen een theoretisch voorstel. In zijn artikel betoogt Anastopoulos dat kosmische versnelling kan worden begrepen als een echt macroscopisch kwantumeffect dat uitsluitend wordt gegenereerd door het opleggen van eindcondities. Met andere woorden, het universum versnelt niet door een mysterieuze substantie, maar omdat het vanuit kwantumoogpunt zijn uiteindelijke toestand al “kent”. Een idee dat zelfs esoterisch lijkt.
Wat is kwantumkosmologie?
Kwantumkosmologie is een tak van de theoretische natuurkunde die de regels van de kwantummechanica probeert toe te passen op het hele universum. In tegenstelling tot de klassieke kosmologie, die gebaseerd is op Einsteins algemene relativiteitstheorie en goed werkt zolang we niet te dicht bij de oerknal komen, probeert de kwantumkosmologie ook de eerste momenten van het heelal te verklaren, waar de bekende wetten niet meer voldoen.
In deze benadering wordt het universum niet beschreven als een traditionele ruimte-tijd, maar als een kwantum-golffunctie die alle mogelijke configuraties bevat. Dit maakt het mogelijk om scenario’s te onderzoeken waarin het universum meerdere begin- en eindtoestanden kan hebben, of zelfs kwantumovergangen kan doorlopen. Het idee is om relativiteit te combineren met kwantummechanica in een coherent raamwerk, iets wat wordt geprobeerd te bereiken met theorieën zoals luskwantumzwaartekracht, snaartheorie of modellen zoals kwantumluskosmologie.
Kortom, het is een hulpmiddel om verder te gaan dan de huidige grenzen en om te proberen vragen te beantwoorden die de klassieke kosmologie niet kan oplossen, zoals wat er precies is gebeurd bij de oorsprong van de tijd, of dat het universum een bestemming heeft die in zijn kwantumstructuur is geschreven.
Kwantumteleologie: een oud idee met moderne hulpmiddelen
Het idee dat een systeem gericht is op een doel staat bekend als teleologie. In de moderne wetenschap wordt dit concept vaak met argwaan bekeken, omdat het een finaliteit impliceert die onverenigbaar lijkt met de experimentele methode. Maar Anastopoulos herinnert ons eraan dat de kwantumfysica een veel flexibeler kijk heeft op causaliteit en dat eindtoestanden geen van buitenaf opgelegde “doelen” zijn, maar interne elementen van het systeem, net zo fundamenteel als de begintoestanden.
“Begin- of eindtoestanden moeten worden beschouwd als componenten van de fundamentele probabilistische toewijzing. Het zijn natuurwetten die bepalen hoe het universum begint en hoe het eindigt”, aldus de Griekse natuurkundige. Het voorstel vereist dus niet dat het universum een “wil” heeft, maar simpelweg dat de kwantumfysica van toepassing is op het geheel, inclusief hoe het zou kunnen eindigen.
Deze visie wijkt af van de traditionele “pijl van de tijd” en de manier waarop de meeste kosmologische modellen zijn geformuleerd. In feite richt het meeste werk in de kwantumkosmologie zich alleen op het vaststellen van een begintoestand. Een uitzondering was Stephen Hawking, die in de jaren ’80 voorstelde dat er symmetrische eindcondities zouden kunnen zijn voor de Big Bang. Zijn hypothese werkte niet, maar opende wel de deur naar benaderingen zoals die van Anastopoulos.
Wat betekent “teleologie” in de wetenschap?
De term teleologie komt van het Griekse telos, wat “einde” of “doel” betekent. Het wordt gebruikt om verklaringen te beschrijven waarin een fenomeen optreedt omdat het gericht is op een doel of eindresultaat. Eeuwenlang was het een gebruikelijke manier om de natuur te interpreteren: er werd bijvoorbeeld gezegd dat bomen vruchten droegen “om” dieren te voeden. Met de ontwikkeling van de moderne wetenschap werden dergelijke verklaringen echter terzijde geschoven, omdat de hedendaagse wetenschap gebaseerd is op oorzaken die uit het verleden komen, niet uit de toekomst.
In de moderne natuurkunde is teleologie met argwaan bekeken, omdat het klinkt als opgelegde finaliteit of zelfs mystiek. Maar in de context van de kwantummechanica krijgt dit concept een meer technische nuance. In bepaalde theoretische kaders, zoals de kwantumkosmologie onderzocht door Anastopoulos, wordt voorgesteld dat de uiteindelijke staat van het universum de huidige evolutie zou kunnen beïnvloeden, zonder enige externe bedoeling of doel te impliceren. Zo wordt teleologie geherdefinieerd als een hulpmiddel binnen de kwantumfysica, niet als een filosofisch geloof, maar als een reële wiskundige en natuurkundige mogelijkheid in de beschrijving van de kosmos.
De calculus achter het voorstel
Het werk van Anastopoulos houdt niet op bij filosofische speculaties. Hij ontwikkelt een streng wiskundig model waarin hij de vergelijkingen van het universum afleidt wanneer kwantum-eindtoestanden worden opgelegd. Dit model is gebaseerd op de “deterministische limiet ” van kwantumwaarschijnlijkheden, een technisch concept dat het mogelijk maakt om kwantumgedrag te vertalen naar macroscopische effecten, zoals die we waarnemen in de uitdijing van het universum.
Volgens hun simulaties reproduceert het gedrag van het universum volgens deze hypothese op natuurlijke wijze een overgang van een niet-versnellende naar een versnellende uitdijingsfase, die erg lijkt op wat de huidige astronomische waarnemingen laten zien. Dit is essentieel: “Kosmische versnelling wordt uitsluitend gegenereerd door het opleggen van eindcondities op kwantumniveau,” schrijft Anastopoulos in zijn artikel.
Bovendien worden deze resultaten bereikt zonder toevlucht te nemen tot willekeurige kosmologische constanten of de introductie van exotische materie of energie, zoals donkere energie. Dit maakt het voorstel theoretisch parsimonieuzer: het verklaart een complex fenomeen met minder toegevoegde aannames.
Een opeenvolging van metingen in de toestandsruimte volgt een buis rond een klassieke baan; verschillende banen kunnen niet van elkaar te onderscheiden zijn als ze binnen hetzelfde algemene pad vallen, terwijl andere, verder weg gelegen banen een kans van bijna nul hebben. Bron: Physical Review D
Implicaties voor natuurkunde en filosofie
Als deze hypothese wordt bevestigd, zou de impact enorm zijn. Niet alleen in de kosmologie, maar ook in ons begrip van tijd en de werkelijkheid zelf. Het idee dat de toekomst het heden beïnvloedt lijkt misschien schokkend, maar in de kwantumfysica is het niet vergezocht. Er zijn al interpretaties, zoals de tweestatenformulering van Aharonov, die een soortgelijke tijdsymmetrie toestaan.
Anastopoulos erkent echter ook de huidige beperkingen van het model. De benadering is bijvoorbeeld niet toepasbaar op het vroege heelal, in de buurt van de oerknal, waar de deterministische limiet niet kan worden genomen. Voor dat stadium is het nodig om een volledige kwantumbeschrijving te gebruiken, die nog in ontwikkeling is. Er is ook een gebrek aan direct observationeel bewijs om deze hypothese te toetsen aan andere hypothesen.
Toch is de auteur optimistisch over het potentieel van zijn benadering: “Zelfs een vereenvoudigd model stelt ons in staat om kosmologische inhomogeniteiten in het vroege heelal te analyseren en zo een verband te leggen met waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond en primordiale zwaartekrachtgolven.
Vaarwel aan donkere energie?
Een van de meest provocerende gevolgen van dit voorstel is dat het donkere energie overbodig zou kunnen maken. Dit concept, hoewel dominant in de huidige modellen, is in werkelijkheid een grote onbekende. Het is niet direct gedetecteerd en de aard ervan is volledig onbekend. Als de rol van donkere energie als aanjager van de versnellende uitdijing vervangen zou kunnen worden door een quantum emergent effect, zou dat een paradigmaverschuiving zijn.
Dit betekent niet dat donkere energie is uitgesloten, maar het opent wel een andere onderzoekslijn. Een die bovendien niet afhankelijk is van speculatieve fysica of de introductie van onzichtbare entiteiten. Het is voldoende om kwantummechanica toe te passen op het universum als geheel en de mogelijkheid te accepteren dat tijd niet zo eenrichtingsverkeer is als we dachten.
We zullen moeten wachten tot meer natuurkundigen dit model onderzoeken, testen en verder ontwikkelen. Maar wat duidelijk is, is dat de kwantumkosmologie met dit voorstel een stap buiten haar gebruikelijke grenzen zet en ons dwingt om de basis van hoe we de kosmos begrijpen opnieuw te overdenken.
