Vacuümenergie

[Boormeester]

Opmerking moderator

Afgesplitst van dit topic

 
Als er inderdaad een oerknal is geweest dan kan die "knal' alleen ontstaan zijn als er een expanderende kracht aan het werk is: de vacuum energie Λ.

Zo is er eerst sprake van inflatie (expansie sneller dan de lichtsnelheid)  en pas daarna worden de deeltjes gevormd. Als men aanneemt dat er geen donkere energie is dan kan er ook geen oerknal zijn geweest.

[Michel Uphoff]

Donkere energie heeft niets van doen met de expansie van het heelal in de bing bang hypothese uit de 30er jaren. In dat FLRW (klik) model komt geen lambda voor.
 
Donkere energie is een hypothetische energie die verantwoordelijk zou zijn voor de versnelde expansie van het heelal conform het nieuwe ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter, klik) model uit de 90er jaren.
 
Of vacuümenergie verantwoordelijk kan zijn voor de versnelde expansie is nog lang geen uitgemaakte zaak. Berekeningen tonen aan, dat als die vacuüm energie zou bestaan ze maar liefst 10¹²⁰ keer groter zou zijn dan de geschatte hoeveelheid donkere energie.
 
Zie verder ondermeer dit bericht in het kosmologie topic.

[Boormeester]

Het boek van de heer Achterberg over kosmologie stelt wel degelijk de Λ gelijk aan de vacuum energie.  De vacuum energie is dan de expanderende kracht van de oerknal. Na de inflatie heb je de deeltjes creatie waardoor de vacuum energie inhoud afneemt (er worden immers deeltjes gevormd) en de expansie afneemt. Inmiddels zijn er in de sterren stelsels enorm zware zwarte gaten gecreëerd waardoor wellicht deeltjes energie terugvloeit naar het vacuum en er dus weer een versnelling plaatsvindt.
Dat er zo'n groot verschil in waarde is, komt doordat er geen juiste kwantum zwaartekracht theorie is.

[Michel Uphoff]

stelt wel degelijk de Λ gelijk aan de vacuüm energie

 
Dan is hij, als hij dit letterlijk zo schrijft, te stellig.
 
Op het moment dat je de homogeniteit en isotropie van het heelal op forsere schalen in twijfel mag trekken (wat door de wetenschappers in het openingsbericht wordt gedaan), valt mogelijk de nood aan donkere energie weg.
Er is ook op andere gronden mogelijk aanleiding om de homogeniteit en isotropie van het heelal in twijfel te trekken, zie onder meer dit topic.
 
Ook Erik Verlinde (zie dit topic) heeft geen donkere energie nodig in zijn hypothese. Zo zijn er nog vele anderen met een mogelijke verklaring die zonder donkere energie toereikend zou kunnen zijn, onder andere door de juistheid van de metingen in twijfel te trekken danwel subtiele wijzigingen in de natuurwetten (o.a. de MOND hypothese) voor te stellen. Een van de vele papers inzake mogelijke alternatieven sluit ik als bijlage bij.
 
Daarmee is niet gezegd dat vacuüm energie de verkeerde weg is, maar het heeft niet voor niets de predikaten:  "the worst theoretical prediction in the history of physics" en "the vacuüm catastrophe" gekregen.
 
Kortom, "The jury is still out.."
 
Paper van Philip D. Mannheim:

Alternatives to Dark Matter and Dark Energy

(1.04 MiB) 1208 keer gedownload

[Boormeester]

Maar hoe verklaart men dan de expansie van de oerknal? Welke kracht zorgt daarvoor? Dit voor het geval dat er geen donkere energie zou bestaan?

[Michel Uphoff]

In principe energiedichtheid. Die dichtheid (straling, materie, neutrino's en alle mogelijke andere vormen van energie per volume-eenheid) was vlak na de oerknal enorm met een gigantische druk en momentum (impuls) tot gevolg.
 
In principe is het de energiedichtheid die de initiële impuls veroorzaakte die het heelal uit deed zetten. Volgens het oude FRLW model dat uitgaat van een dichtheid van honderden triljarden gram per cm³ vlak na de oerknal, zou het heelal dus óf na een bepaalde tijd weer ineenstorten onder de eigen gravitatie, óf de initiële impuls was groter dan de ontsnappingssnelheid en dan zou het heelal eeuwig (maar wel steeds trager) uitdijen. Een onwaarschijnlijk klein verschil in de enorme dichtheid was al voldoende om het heelal te veroordelen tot een van deze twee mogelijkheden. Einstein beviel deze óf-óf situatie niets, hij ging uit van een statisch heelal en bedacht de kosmologische constante Lambda om het geheel in evenwicht te houden.
 
Let op: Ik heb het hier beslist niet over de versnelde expansie, maar de oorzaak van het expanderende heelal zoals die vanaf de 30er jaren tot de ontdekking van de versnelling door Perlmutter Riess en Schmidt in de 90er jaren gold. Deze drie Nobelprijswinnaars verwachtten dus een vertragende expansie te meten, want ongeacht de initiële impuls vertraagt de expansie a.g.v. de onderlinge gravitatie, maar ze vonden het tegenovergestelde. Meer daarover in dit bericht.
 
Wil je een meer mathematische onderbouwing, bestudeer dan eens de Friedman vergelijkingen: klik

[Boormeester]

Maar is dan niet de energie dichtheid hetzelfde als de vacuum energie of zo je wil, donkere energie?

[Michel Uphoff]

energie dichtheid hetzelfde als de vacuum energie

 
Laten we hier even aannemen dat de donkere energie bestaat, en dat vacuümenergie de bron ervan is (we schuiven die 120 magnitudes even terzijde). Dan is er de volgende bijzondere eigenschap: Hoe meer ruimte er door de expansie van het heelal ontstaat, hoe meer donkere energie er komt; donkere energie 'verdunt' dus niet bij expansie. Die eigenschap zorgt ervoor dat de theoretische resultaten mooi overeenkomen met de metingen aan de expansiesnelheid nu en in het verleden (zoals je weet is ver weg kijken, ook ver terug in de tijd kijken):
 
Voor de expansie in de beginjaren van het heelal is er geen behoefte aan donkere energie, het heelal expandeerde netjes volgens het FRLW model; In het begin snel, en naarmate de tijd verstreek steeds langzamer. Precies zoals je zou verwachten naar analogie van een kogel die tegen de gravitatiekracht in omhoog wordt geschoten. Of die kogel de ontsnappingssnelheid overschrijdt en nooit meer terug komt (eeuwige expansie) of te weinig impuls heeft en uiteindelijk stopt en terugvalt (uiteindelijk stopt de expansie en krimpt het heelal weer) is niet van belang, want in beide gevallen vermindert de snelheid van de kogel (de expansiesnelheid van het heelal) a.g.v. de gravitatie.
 
Maar ongeveer 5 miljard jaar geleden kwam er volgens de metingen een eind aan de vermindering van de expansiesnelheid, en begon het heelal versneld uit te dijen. Een onverwachte en Nobelprijswaardige ontdekking. Op zich valt dat met donkere energie in de vorm van vacuümenergie goed te modelleren. Als we aannemen dat nu ongeveer 73% van de energieinhoud van het heelal bestaat uit donkere (vacuüm) energie, dan krijgen we keurig de expansiesnelheden die we in het verleden tot aan nu d.m.v. observaties vaststellen. Er is ongeveer 5 miljard jaar geleden zoveel ruimte ontstaan dat de negatieve druk daarvan groter werd dan de (al maar afnemende) onderlinge gravitatie tussen de sterrenstelsels.
 
Hier grafiekjes met de resultaten van beide modellen:

FRLW-LCDM 1844 keer bekeken

Image1 1842 keer bekeken

FRLW (geen lambda) v.s. LCDM (lambda = 0,73) model. Rechts uitvergroting beginjaren. Bron: M.U.
 
Verticaal de schaalfactor; de afmeting van het waarneembare heelal, waarbij we de huidige afmeting op 1 stellen. Horizontaal de leeftijd van het heelal. Zoals je ziet zou het heelal volgens het FRLW model ongeveer 9 miljard jaar oud zijn, maar volgens het Lambda Cold Dark Matter model bijna 14 miljard jaar.
Naarmate er meer ruimte ontstaat neemt de hoeveelheid vacuümenergie toe volgens het LDCM model (ook wel concordantiemodel genoemd), en dat houdt in dat in de verre toekomst donkere energie véruit de belangrijkste actor is in het expansie-gravitatie spel. Het heelal gaat dan zó vreselijk snel expanderen dat het uiteen valt en ophoudt te bestaan. Zie hierover ondermeer dit bericht.
 
In de toekomst krijgt de donkere energie een zeer grote tot alles overheersende rol, maar in het begin van het heelal was ze onbetekenend. In de beginfase van het heelal is stralingsdruk de allesoverheersende factor. Wat later, nadat materie is ontstaan en de enorme dichtheid en temperatuur afneemt, neemt zwaartekracht de dominante rol op zich, en na pakweg 9 miljard jaar gaat de hypothetische vacuümenergie in het al maar groter wordende heelal de hoofdrol opeisen.
 
In formulevorm (gebruikt om bovenstaande grafiekjes te genereren):

Image1 1843 keer bekeken

Bron: M.U.
 
De kwintessens is: Vacuümenergie speelt pas een significante rol bij veel ruimte met lage materie-inhoud.

[Boormeester]

Ik kijk er toch wat anders tegenaan. De oerknal (als die inderdaad heeft plaatsgevonden) is begonnen met een zeer grote doch eindige hoeveelheid energie. Die energie hoeveelheid noem ik dan maar vacuum energie (of zo men wil: donkere energie). Deze heeft als kenmerk dat ze afstotend is dwz expanderend vanuit het centrum van de oerknal. Er was dus nog geen materie! Daardoor kan de expansie snelheid groter zijn dan de lichtsnelheid: de inflatie periode.
Nadat door de expansie dezelfde hoeveelheid vacuum energie over een grotere ruimte is verspreid, neemt de vacuum energie dichtheid af en dus de uitdrijvende kracht. Nadat de temperatuur door de expansie voldoende is gedaald gaat deeltjes vorming optreden en doet de gravitatie kracht zijn intrede die aantrekkend is en dus tegengesteldis aan de vacuum energie.
Eechter de hoeveelheid energie die in de deeltjes gaat zitten kan nooit groter zijn dan de beschikbare hoeveelheid vacuum energie waarmee de oerknal begon!
Nadat deeltjes vorming eindigde bleef nog een bepaalde hoeveelheid vacuum energie over die blijkbaar groter was dan de de energie die in de totale massa van de deeltjes zat want het heelal bleef  rustig verder expanderen. De gravitatie zorgde er lokaal voor dat sterrenstelsels samenklonterden tot grotere en er ontstonden sterrenstelsels (elliptisch o.a.) met enorm zware zwarte gaten in hun midden. Hier kon het omgekeerde proces van de oerknal plaatsvinden: door de enorm hoge temperatuur kunnen deeltjes weer omgezet worden in vacuum energie en wordt de vacuum energie dichtheid weer groter waardoor een versnelling van de expansie wordt waargenomen.

[Michel Uphoff]

Zomaar wat eerste opmerkingen. Ik heb vandaag de tijd niet om er uitgebreider op in te gaan:
 
Probeer die hypothese dan eens te matchen met de waarnemingen en er de bijbehorende formules voor op te stellen.
Houd er rekening mee, dat zwarte gaten waarschijnlijk al vroeg in de geschiedenis van het heelal ontstonden, de zogenoemde Primordial Black Holes.
Verder zou de massa van de black holes die van alle baryonische en 'donkere' materie moeten overschrijden daar is geen bewijs in de vorm van waarnemingen voor.
Waar komt de enorm hoge temperatuur vandaan die jij veronderstelt bij de vorming van een black hole? We moeten dan kennelijk denken aan temperaturen en dichtheden die aanwezig waren vlak na de oerknal, nog voor er deeltjesvorming plaatsvond. Ook hiervoor zal je een fysisch verantwoorde verklaring/berekening moeten kunnen opdienen.
Voorts hebben black holes een enorme massa, dat is onmiskenbaar. Waar komt deze vandaan als alles dat het black hole initieel vormde geconverteerd is naar negatieve vacuümenergie die in het heelal verdween?
Als black holes op deze manier vacuümenergie 'uitademen', waarom meten we daar de effecten niet van in de buurt van deze monsters?
...
...

[Boormeester]

Ik heb het enkel over de hele zware zwarte gaten die uiteindelijk ontstaan bij de samensmelting van verschillende sterrenstelsels. Die hebben zoveel massa opgeslokt dat ze deeltjes versnellen tot praktisch de lichtsnelheid en dus zeer hoge temperaturen. Het duurt even voordat die zeer zware zwarte gate zich gevormd hebben. Als ik me goed herinner valt dat ongeveer samen met de tijd dat er weer een versnelde expansie gemeten werd. Als die teruggave van deeltjes energie naar vacuum energie zich afspeelt dan verspreidt dat zich vanuit het centrum van het zwarte gat terug de ruimte in met een bepaalde expansie snelheid. Plaatselijk zal de vacuum energie dichtheid dus variëren. Wellicht heeft dat ook invloed op de waarde van de lichtsnelheid. Die wordt immers gegeven door c=(ε₀.μ₀)^-½   waarin ε₀en μ₀ eigenschappen zijn van het vacuum.
Ik zou zo gauw niet weten of dat vanaf de aarde in de omgeving van een zeer zwaar zwart gat, te meten zou zijn. Wellicht met zwaartekracht lenzen die hetzelfde object in verschillende richtingen afbeelden en waarvan in het spectrum dezelfde gebeurtenis niet  op precies dezelfde tijd worden gemeten: kan door afstandsverschillen komen maar ook door verschillende waarden voor de lichtsnelheid.
Verder is het ook zo dat niet het volledige zwarte gat wordt geconverteerd naar vacuum energie. Op een gegeven moment slokt het zwarte gat geen massa meer op omdat het alles in zijn omgeving heeft opgeslokt. Dan stopt ook op een gegeven moment de conversie naar vacuum energie. De temperatuur is te laag geworden. Na verloop van tijd kan er weer massa opgeslokt worden als er bijv. een passage is van een sterrenstelsel.
Verder merk ik op dat de kosmische achtergrond straling steeds kouder wordt: de golflengte neemt toe en de frequentie neemt af (bij gelijke lichtsnelheid). Aangezien de energie van een foton evenredig is met de frequentie neemt de energie van het foton dus af. Die afname gaat rechtstreeks naar het vacuum want waar moet het anders naar toe gaan? Of blijft de frequentie gelijk en neemt de lichtsnelheid toe (ε₀ en μ₀ veranderen dan van waarde. In dit geval is er geen energie verlies)?
Wordt in al de modellen die u noemt hiermee rekening gehouden? 

[Michel Uphoff]

Die hebben zoveel massa opgeslokt dat ze deeltjes versnellen tot praktisch de lichtsnelheid en dus zeer hoge temperaturen.

 

Dat doen alle black holes, grote en kleine, dat is een intrinsieke eigenschap. Ze hebben immers allemaal een waarnemingshorizon.

 

Het duurt even voordat die zeer zware zwarte gaten zich gevormd hebben.

 

Vrij kort naar wij nu weten. De superzware black holes en de sterrenstelsels waarvan zij de kern vormen kennen hoogstwaarschijnlijk een co-evolutie. De oudste bekende quasars ontstonden enige honderden miljoenen jaren na de oerknal al.

 

Als ik me goed herinner valt dat ongeveer samen met de tijd dat er weer een versnelde expansie gemeten werd.

 

Dat is dus niet in overeenstemming met de waarnemingen. Veruit de meeste actieve superzware zwarte gaten (quasars) staan op grote afstand (ver terug in de tijd). Quasars begonnen zoals gezegd vrij kort na de oerknal al te ontstaan en de piekactiviteit ligt ongeveer rond 10 miljard jaar geleden (tijdmeting volgens het ΛCDM model). Dat is dus het moment waarop - overeenkomstig jouw gedachte - de piek van de vacuümenergie uitstoot was. Hierna zou het snel bergafwaarts gegaan moeten zijn met de creatie van die energie. Dat wijzen de observaties niet uit, in tegendeel. Die laten duidelijk zien dat er tot ruwweg 5 miljard jaar geleden geen sprake was van versnelde expansie.

 

maar ook door verschillende waarden voor de lichtsnelheid

 

Om een van de fundamenten van de fysica op de kop te kunnen zetten is een extreem sterk bewijs nodig, vooralsnog ontbreekt het aan zelfs een voorzichtig begin van een bewijs.

 

Wordt in al de modellen die u noemt hiermee rekening gehouden?

 

In alle modellen durf ik niet te stellen. In het ΛCDM model wordt wel degelijk rekening gehouden met de afname van energie in fotonen. Nu speelt die energiedichtheid een onbetekenende rol, maar in het vroege universum was het de overheersende factor. Voor meer informatie over ΛCDM model en de parametrisering ervan zie dit Wikipedia artikel.

 

Die afname gaat rechtstreeks naar het vacuum want waar moet het anders naar toe gaan?

 

Energiebehoud en de algemene relativiteit hebben een lastige relatie. In de ART is energie niet eens gedefinieerd, en in een expanderend heelal is energiebehoud niet gegarandeerd. Zie ondermeer dit antwoord in Physics Stack Exchange van Rexcirus op de vraag mbt energiebehoud.
 
Je zou, dat doet ondermeer de kosmoloog Ethan Siegel van Lewis & Clark College in Portland, met enige lenigheid van geest kunnen stellen dat het energieverlies van de fotonen 'omgezet' wordt in expansie van het heelal (klik) . Fotonen (het leeuwendeel is afkomstig van de kosmische achtergrondstraling) hebben inmiddels zeer weinig energie gezien de temperatuur van 2,7K. Fotonen zijn nu verantwoordelijke voor ongeveer 0,01% van de totale energiedichtheid van het heelal en 5 miljard jaar geleden was dat niet veel meer, daar kan de versnelde expansie niet vandaan komen.