Problemen met de Oerknaltheorie: het horizonprobleem

Hoewel er sterke bewijzen zijn vóór de Oerknal, zijn er ook enkele argumenten tégen de Oerknaltheorie. In dit artikel wordt een van deze tegenargumenten bekeken; het zogenaamde horizonprobleem. Een van de drie belangrijkste punten waar de klassieke Oerknaltheorie geen verklaring voor had is het horizonprobleem:

Het horizonprobleem

Dit probleem gaat over de temperatuur van de zogenaamde kosmische achtergrondstraling, straling die van alle kanten uit de ruimte komt en volgens de Oerknaltheorie zo'n 379.000 jaar na de Oerknal is ontstaan bij de vorming van atomen.
Het horizonprobleem houdt in dat niet verklaard kan worden waarom de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling vanuit elke richting vrijwel gelijk is.

Waarnemingshorizon Vanaf de Aarde kunnen we ongeveer 13 miljard lichtjaar ver zien. Daarom staan twee tegenovergestelde punten (A en B in de afbeelding) die beide 13 miljard lichtjaar van de Aarde staan, ten opzichte van elkaar zo'n 26 miljard lichtjaar van elkaar af. Hierdoor liggen deze twee punten buiten elkaars waarnemingshorizon. Dit is een bolvormig gebied rond een punt in de ruimte, waarbuiten (vanuit dat punt gezien) niets zichtbaar is. Dit komt omdat het Universum nog maar een bepaalde tijd heeft bestaan. Daarom zullen objecten buiten je waarnemingshorizon voor jou niet zichtbaar zijn; ze staan zó ver weg dat het licht ervan je nog moet bereiken.

Om deze reden liggen twee punten die 26 miljard lichtjaar van elkaar af staan, buiten elkaars waarnemingshorizon. Het licht van het ene punt heeft nog niet genoeg tijd gehad om het andere punt te bereiken. Wij op Aarde zien beide punten, omdat wij in het midden liggen, en het licht van beide punten wél genoeg tijd heeft gehad om de Aarde te bereiken.

Het probleem
In de natuurkunde is er een wet dat informatie nooit sneller dan het licht kan worden overgebracht. 'Informatie' klinkt nogal algemeen, en dat is het ook. Informatie staat namelijk voor elke vorm van fysische interactie. De twee punten (A en B) kunnen daarom niet met elkaar in wisselwerking treden. Toch is de kosmische achtergrondstraling die afkomstig is van de twee punten, vanuit beide richtingen hetzelfde.

De kwantumfysica stelt echter dat er wel degelijk temperatuursverschillen bestonden in het vroege Heelal vanwege het zogenaamde onzekerheidsprincipe. Kleine fluctuaties in de temperatuur van het Universum (toen deze nog kleiner was dan een atoom) zouden ervoor moeten zorgen dat de achtergrondstraling uit verschillende richtingen, verschillende temperaturen heeft. Wij nemen echter waar dat de straling vanuit elke richting gelijk is.

De oplossing Alan Guth kwam in 1981 met zijn zogenaamde inflatietheorie. Deze theorie zou het horizonprobleem kunnen oplossen, door aan te nemen dat het Universum vlak na de Oerknal tijdelijk exponentiël groeide. Dit zou betekenen dat alles in het zichtbare Heelal tijdens de korte periode vóór de inflatie, wél in contact met elkaar was, waardoor een thermisch evenwicht bereikt kon worden. De inflatie (snelle expansie van het Heelal) zorgde er vervolgens voor dat het Universum zó snel uitdijde dat de gebieden die in thermisch evenwicht waren, niet langer causaal verbonden waren. Dat wil zeggen dat deze gebieden buiten elkaars waarnemingshorizon terecht kwamen, en niet langer invloed op elkaar hadden. Om deze reden is de temperatuur van deze gebieden (bijna) hetzelfde gebleven, en is de achtergrondstraling vrijwel perfect homogeen.