Alles uit Niets

1. Alles uit Niets Oorsprong van het heelal, inflatie en de kiemen van structuur Jan Pieter van der Schaar Instituut voor Theoretische Fysica Universiteit van Amsterdam Paradisolezingen 2007: 1+1=3

2. Alles uit Niets • Ons zichtbare heelal: van Alles naar `Niets’ • Kosmologische parameters • Theorie en observatie • Donkere mysteries • `Emergentie’ of gewoon toeval? • Fijn-afstelling parameters • Dynamisch versus begin-conditie • Inflatie en de oorsprong van structuur • Speculaties over `Niets’

3. X+Y=? NWO Hypothese, nr. 5, jaargang 13 Paradisolezingen 2007: 1+1=3 “In the context of inflationary cosmology, it is fair to say that the universe is the ultimate free lunch” – Alan Guth 0+0=∞ !

4. Emergentie Eigenschappen heelal Dynamische verklaring Theorie/mechanisme Ruimte-tijd emergent?

5. Kosmologie Oorsprong, evolutie en toekomstig lot van ons heelal als geheel Einstein’s algemene relativiteitstheorie: ruimte-tijd heeft een eigen dynamiek, de tijd een begin, het heelal een eigen geschiedenis

6. Kosmologische meetlat 1 parsec (pc) ~ 3,3 lichtjaar Andromeda ~ 770 kiloparsec (kpc) Afstand Aarde-Zon: 1 Astronomical Unit (AU) ~ 8 lichtminuten ~ 1011 meter Dichtsbijzijnde sterren Paar lichtjaren ~ 1016 meter Melkweg ~ 30 kpc ~ 100.000 lichtjaar ~ 1021 meter

7. Typisch volume sterrenstelsel cluster ~ miljoen kubieke parsecs Favoriete eenheid kosmologen: Megaparsec (Mpc) ~ 1022 meter T=2,725 K 380 duizend jaar (ABB) Clusters en superclusters van sterrenstelsels ~ 100 Mpc Op afstanden groter dan 100 Mpc: homogeen, isotroop Heelal Kosmische achtergrondstraling: tot op 0,001% uniform

8. Kosmologische tijdlijn Dicht opeengepakte materie, zeer hoge temperaturen en energieën: extreme omstandigheden, bestaande theorieën uiteindelijk niet langer geldig

9. Kosmische achtergrondstraling COBE (Nobel 2006) … WMAP ESA PLANCK (2008) … Nagloed van de oerknal Zeer uniform T=2,725 K Oorsprong structuur in gemeten kleine variaties

10. De CMB als vingerafdruk Kritische dichtheid: ~ 10 waterstof atomen per kubieke meter Temperatuurvariaties in de CMB van orde 1/100.000 !

11. Precisie kosmologie Voor 1990 : 35 < H0 < 100 In schril contrast met electron magnetisch moment :

12. Zoeken naar Supernova’s Supernova Cosmology Project (S. Perlmutter) High-Z SN Search Team (B. Schmidt)

13. Versnelde expansie Grote schok voor (theoretisch) natuurkundigen! Anti-gravitatie voorbeeld: energie van het vacuum, de kosmologische constante Λ Theorie ~ [1018 GeV]4 Observatie ~ [10-3 eV]4 Factor 10-120 verschil!

14. Ons absurde heelal Hete oerknal ΔT/T =1/100.000 Bron: schaal-invariant ΩTOT=1

15. Fundamentele vragen • De oerknal • Wat `knalde’ er en waarom • Waarom zo groot, oud en plat • Waarom zo bijzonder uniform • Donkere sector • Samenklonterend: materie • Niet samenklonterend: `energie’

16. Ons toevallige heelal? Parameters lijken nauwkeurig afgestemd! • Dichtheidsvariaties/homogeniteit • Platheid/kritische dichtheid • Donkere energie • Massa’s elementaire deeltjes • Sterkte krachten • …

17. Fijn-afstelling oerknal Kritische dichtheid Plat heelal Horizon probleem: homogeniteit CMB temperatuur onverklaarbaar Sub-kritisch zadelvorming heelal Super-kritisch bolvormig heelal

18. Oorsprong van structuur?

19. Kosmologische Inflatie Kritische dichtheid Plat heelal Oerfase van exponentiele expansie, bron: vacuum energie Straal ~ 10-30 m, duur ~ 10-36 s, expansie factor >1030 Voorspelt homogeen, plat en groot uitdijend heelal

20. Inflaton veld • Energie-schaal inflatie ~ GUT schaal: 1016 GeV • Verklaart platheid en homogeniteit • Hete oerknal: vervallend inflaton veld Ons zichtbare heelal 1026 m 10-30 m

21. Dichtheidsvariaties Quantum fluctuaties! Inflatie verklaart in één klap de oorsprong van de expansie van ons heelal, de platheid, homogeniteit en het ontstaan van structuur : ALLES UIT (bijna) NIETS

22. Status inflatie • Overtuigende (dynamische) verklaring • Kleine afwijking van schaal-invariant oer-spectrum van fluctuaties • Oer-gravitatiegolven • Donkere materie en energie • Wat gebeurde er voor inflatie

23. Uni-of-multiversum? • Meerdere universa (> 10200) • Verschillende parameters (Λ, mn, …) Waarschijnlijk gerealiseerd in string theorie… Mogelijke verklaring fijn-afstelling parameters in het bijzonder de kosmologische constante

24. Emergente ruimte-tijd? Energie/Afstand/Tijd AdS/CFT correspondentie: Gegeneraliseerde versie van quantum electromagnetisme is equivalent aan een 5d gravitatie-theorie met een negatieve kosmologische constante!

25. Tot slot `Golden age’ van de kosmologie theorie en observatie gaan hand in hand 96 % van de inhoud van ons heelal totaal mysterieus Inflatie (‘Alles uit Niets’) Toeval, antropisch of toch dynamisch/emergent? Dank voor uw aandacht! The WMAP Science Team is acknowledged for providing many of the figures and animations

26. Abstract Waarom is ons heelal zo groot, zo oud en zo plat? Wat zijn donkere materie en donkere energie, en welke rol spelen ze in ons universum? Ons heelal lijkt een bizarre speling van het lot, met eigenschappen nauwkeurig afgestemd op het ontstaan van melkwegstelsels, sterren en uiteindelijk het leven zelf. Op het eerste gezicht lijkt het onwaarschijnlijk dat deze eigenschappen volledig verklaard kunnen worden door fundamentele natuurwetten, in termen van microscopische bouwstenen en hun onderlinge wisselwerkingen. Aan de hand van recente kosmologische observaties zal ik aangeven waar ons huidige begrip begint en eindigt, met speciale aandacht voor kosmologische inflatie als belangrijk theoretisch mechanisme, dat enkele bijzondere kenmerken van ons heelal op natuurlijke wijze verklaart. Maar wat veroorzaakte inflatie? En wat gebeurde er precies tijdens de oerknal? Speculaties alom, waarvan ik de meer beloftevolle suggesties kort de revue zal laten passeren.