Dinsdag 11/05/2021

De wereld hangt met touwtjes aan elkaar

Brian Greene. 'The Elegant Universe': een fascinerende blik op de grenzen van het heelal

Geert Lernout

Volgens de bijbel heeft ieder van ons recht op zeventig jaar. Ik weet niet wat u met uw 25.500 dagen van plan bent, maar ik vind dit lang niet genoeg. Het minste wat we van een min of meer welwillende godheid mogen verwachten is dat zeventig jaar genoeg zou moeten zijn om uit te vinden in wat voor een wereld we terecht zijn gekomen, maar dat is hier duidelijk niet het geval. Denk even aan die talloos veel miljoenen die gestorven zijn met het idee dat ze hun leven doorbrachten op een platte schijf of in het midden van het heelal. Of erger nog: denk even aan die talloos veel miljoenen die vandaag leven en die nog altijd denken dat ze zich in het midden van het heelal bevinden. Of nog erger: denk aan al die mensen die dat alles geen ene moer kan schelen.

Eén Stephen Hawking maakt dus de lente niet. Net nu we steeds meer over onze wereld weten en we niet langer het excuus hebben van godsdienst of analfabetisme, is er een ontstellend gebrek aan interesse voor de vraag hoe de wereld werkelijk in elkaar zit. Misschien heeft dit alles wel te maken met het feit dat wij als mensen niet langer in het midden van het heelal zitten. Als we de wetenschap van de laatste paar eeuwen bekijken, zien we juist dat in nagenoeg alle gebieden de mens en alles wat met de mens te maken heeft steeds verder naar de zijlijn wordt geschoven.

Biologen denken allang niet meer dat de mens een uitzonderlijke status heeft, dat wij op enige biologische manier beter zouden zijn dan de dieren. Sinds Copernicus weten we dat de zon en de rest van het heelal niet rond de aarde draaien. En toen werd het allemaal nog erger: de zon was niets speciaals, alleen maar een ster zoals de andere. Ons zonnestelsel bleek deel uit te maken van een heel sterrenstelsel, maar opnieuw zaten we niet centraal. Toen ontdekte Einstein ook nog eens dat tijd en ruimte, voor Newton nog echt absolute begrippen, in werkelijkheid afhingen van het perspectief van diegene die kijkt en die een klok heeft. Hoe meer we over de de kleinste deeltjes van de materie te weten komen, hoe meer we beseffen dat de omstandigheden (zoals golflengte, druk, temperatuur, snelheid) die in onze wereld gelden niet de maat der dingen zijn, maar juist marginale omstandigheden. De wetten die wij met Newton en Maxwell kunnen afleiden uit datgene wat we hier op aarde waarnemen, gelden inderdaad voor alles wat er rondom ons gebeurt, maar blijken uitzonderingen te zijn als we verder kijken, naar dingen die heel klein of juist heel groot zijn. Dan worden heel andere regelmatigheden belangrijk, waarvan onze aardse wetten alleen maar voetnoten zijn.

In The Elegant Universe, al in hardcover een bestseller in de Verenigde Staten, legt Brian Greene uit hoe de fysici op dit ogenblik kijken naar de grenzen van het heelal (in beide richtingen: micro en macro). Net als Hawking doet hij dat door eerst de geschiedenis van de fysica te bekijken. Eén ding is heel merkwaardig wanneer we de verschillende verschuivingen bestuderen die zich hebben voorgedaan in de manier waarop we de wereld om ons heen bekijken: de wiskunde mag dan wel de moeder aller wetenschappen zijn, het is ook de wetenschap die het minst lijkt af te hangen van de werkelijkheid. De basisbegrippen van de meetkunde - punt, rechte, cirkel - bestaan alleen in de meetkunde, niet in de natuur. Zeker in de laatste paar eeuwen ontwikkelde de wiskunde zich geheel zelfstandig, zonder dat men zich al te veel afvroeg wat de nieuwe stellingen of hele nieuwe soorten wiskunde met de werkelijkheid te maken hadden.

Het is dan ook erg merkwaardig dat een grote doorbraak in de fysica steeds weer gepaard ging met het inzicht dat een bepaald fenomeen alleen kon worden begrepen met behulp van een of andere obscure tak van de wiskunde. Toen Einstein probeerde een nieuw concept van de zwaartekracht te ontwikkelen, ontdekte hij dat de meetkunde van Euclides niet voldeed, maar wel de in 1854 ontwikkelde niet-euclidische meetkunde van Georg Bernhard Riemann, die beschreef wat er gebeurde wanneer meetkundige rechten en krommen zich in een gekromde ruimte bevinden.

Op dit ogenblik gebeurt er opnieuw iets soortgelijks in de fysica. Hawking had het in zijn boek al over de Grote Eengemaakte Theorie, die erin zou slagen om de verschillende krachten in het heelal onder één noemer te brengen. De meetkunde van Riemann slaagt erin het universum zoals dat er na Einstein uitziet wiskundig te beschrijven. Dat wil zeggen: met de Riemanniaanse meetkunde kunnen we exact beschrijven wat er gebeurt in de wereld die wij met onze zintuigen kunnen waarnemen, én wat er gebeurt als we de grotere afstanden in het heelal erbij betrekken. Het probleem zit nu in de andere richting: als we willen vaststellen wat er gebeurt indien we steeds verder inzoomen op het allerkleinste. Op een bepaald ogenblik (en veel verder dan we op dit ogenblik kunnen waarnemen) begint de quantummechanica te werken en hebben we dus een quantummeetkunde nodig. Helaas hebben we geen tak van de meetkunde die netjes in dat vakje past, maar fysici en wiskundigen werken samen aan de zogenaamde 'superstringtheorie' waarvan zij hopen dat die voor de nodige verklaringen kan zorgen.

De klassieke theorie van de elementaire deeltjes loopt uit op een ongerijmdheid. Wanneer we de relativiteitstheorie, die het gedrag van onze wereld en die van het hele grote bepaalt, in overeenstemming proberen te brengen met de quantummechanica, die hetzelfde doet voor de heel kleine deeltjes, dan slagen we daar niet in. Een van de factoren wordt dan oneindig, en we weten dat dat onmogelijk is. Dat heeft alles te maken met het gedrag van die heel kleine deeltjes: beneden een bepaalde waarde, de zogenaamde Planck-schaal, gebeuren er dingen die even onvoorstelbaar als onvoorspelbaar zijn. Zolang we boven die schaal werken is er geen probleem, maar als we eronder gaan, kunnen we alleen nog met kansberekeningen werken. Niet dat u zich daar zorgen over hoeft te maken: niemand van ons zal zich ooit in een dergelijke wereld bevinden. Als je de Planck-lengte in centimeters uitdrukt, is ze nul komma drieëndertig nullen en dan een eentje lang, dat wil zeggen: als je een enkel atoom zo groot zou maken als het hele heelal, dan is de Planck-lengte de hoogte van een gemiddelde boom.

Je kunt je afvragen waarom men nu zo nodig hoeft te weten welke wetten heersen in die pietepeuterigste aller werelden. Maar fysici zijn moeilijke mensen: we hebben ondertussen geleerd dat natuurwetten pas echt kloppen als ze ook in de extreemste omstandigheden waar zijn. De enige theorie die daar op dit ogenblik voor in aanmerking komt, is de 'superstringtheorie'. Het enige probleem is dat niemand kan zeggen hoe die eruitziet: alles wat we op dit ogenblik weten is bij benadering. Volgens de superstringtheorie zijn de kleinste ingrediënten van het heelal niet de dimensieloze punten van de traditionele atoomtheorie, maar oneindig kleine eendimensionale stukjes touw (gemiddeld hebben ze de Planck-lengte). Het zijn deze vibrerende touwtjes die de elementaire partikels maken die op hun beurt samen een atoom vormen.

Het voordeel van deze theorie over alle vorige is elegantie. Ten eerste: het heelal is samengesteld uit eenzelfde soort basiselementen, ten tweede: de superstringtheorie verzoent de quantummechanica met de relativiteitstheorie, en ten derde: ons hele beeld van de ruimte-tijd kan worden bijgesteld op een manier die zowel fysisch als wiskundig coherent is.

Brian Greene biedt zijn lezers een hoogst interessante en erg toegankelijke rondleiding in een heel nieuwe wereld. We weten allemaal dat onze werkelijkheid vier dimensies heeft. Als je in New York met iemand afspreekt, zeg je dat die persoon bijvoorbeeld om vijf uur (eerste dimensie) op Fifth Avenue (tweede dimensie) moet zijn, drie deuren voorbij de hoek met Twenty-second Street (derde dimensie) op de zevende verdieping (vierde dimensie). Zover is alles nog duidelijk: in onze wereld kunnen we alles wat gebeurt met deze vier dimensies plaatsen. Maar als we ons in de Planck-wereld begeven, blijken er in werkelijkheid zes of zelfs zeven dimensies meer te zijn. Voor wiskundigen is dat geen probleem (als je kunt vermenigvuldigen, kun je ook dimensies blijven uitvinden), maar voor gewone stervelingen is het erg moeilijk ons nog maar één dimensie meer voor te stellen dan de gewone vier.

Gelukkig zijn de zes (of zeven) extra dimensies heel erg klein: de superstringtheorie gaat ervan uit dat in ieder punt van onze werkelijkheid zich een opgerold voorwerp bevindt met zes (of zeven) dimensies. Eén welbepaalde familie van zesdimensionale vormen, de Calabi-Yau ruimten, voldoet aan alle eisen waaraan die zes opgerolde dimensies volgens de theorie moeten voldoen. Op die manier blijkt nog maar eens het praktische nut van een volledig wiskundige vondst.

Een ander onderdeel van de nieuwe theorie die aan sciencefiction doet denken, is het concept van het multiversum. Sommige wetenschappers denken dat op sommige afgelegen plaatsen in ons universum een soort kinduniversum met een eigen big bang kan ontstaan. In zo'n universum zitten weer zwarte gaten die op hun beurt baby-universumpjes hebben, enzovoort. De gevolgen voor onze fysica zijn dramatisch: zelfs onze Grote Eengemaakte Theorie is maar een marginaal geval voor het hele multiversum, want ieder van de baby-universums heeft zijn eigen wetten en regelmatigheden. The Elegant Universe is een helder geschreven en mooi geïllustreerde beschrijving van hoe de wereld volgens een groot deel van de natuurkundigen en wiskundigen in elkaar zit. Gebruik a.u.b. drie van de 25.500 dagen die u ter beschikking staan om te ontdekken in wat voor een wondere wereld u terecht bent gekomen. En moge dit boek zo snel mogelijk vertaald worden.

Brian Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, Cape, Londen, 448 p., 1.520 frank. Verkrijgbaar bij IMS, Melkmarkt 17, 2000 Antwerpen.

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234