Donderdag 21/10/2021

Het heelal als schuimgebakje

Is het heelal oneindig groot? En hoe is het begonnen? Als kind lig je er al van wakker. Populair-wetenschappelijke boeken om onze nieuwsgierigheid te bevredigen zijn er dan ook genoeg. Af en toe zit er zelfs een bestseller tussen: denk aan A brief history of time (1988) van Stephen Hawking, waarin de zogenaamde inflatietheorie van Alan Guth al even ter sprake kwam. Guth heeft zijn inmiddels algemeen aanvaarde theorie - een nieuwe visie op het ontstaan van het heelal - nu ook zelf voor de leek verklaard. Het resultaat is volgens het achterplat 'een unieke blik in de keuken van een vooraanstaand wetenschapper'. Dat is nog zacht uitgedrukt.

Joël De Ceulaer

In den beginne was er misschien wel niets. En ongeveer een miljardste van een miljardste van een miljardste van een miljardste van een seconde later was er alles. Of toch bijna. Zo luidt, in een notendop en ietwat vereenvoudigd, het wetenschappelijke scheppingsverhaal anno 1998. De laatste grote doorbraak in het onderzoek naar het ontstaan van de kosmos is goeddeels op rekening van Alan Guth, hoogleraar natuurkunde aan het befaamde Massachusetts Institute of Technology, te schrijven. Van die doorbraak doet hij verslag in Het Uitdijende Heelal: wat gebeurde er voor de oerknal?. Een waanzinnig boeiend, erg verhelderend en verrassend toegankelijk boek. Het nieuwe standaardwerk bij uitstek voor al wie worstelt met de vraag aller vragen: hoe is het allemaal begonnen?

Tot en met Einstein hield de wetenschap er zich niet mee bezig. De vader van de relativiteitstheorie ging er net als Isaac Newton van uit dat het heelal onveranderlijk was in de tijd. Het heelal had altijd bestaan en zou eeuwig blijven bestaan. Mede dankzij de Belgische priester en natuurkundige Georges Lemaître weten we sinds de jaren twintig dat het heelal wellicht ooit wel een begin heeft gehad. Lemaître noemde dat beginpunt het 'oeratoom'. Een bevestiging van zijn hypothese kwam er in 1929, toen de Amerikaanse sterrenkundige Edwin Hubble aantoonde dat het heelal uitdijt: sterrenstelsels 'vliegen' van elkaar weg. Dat betekent dat ze vroeger dichter bij elkaar lagen. En nog vroeger véél dichter bij elkaar. Ooit, in een ver en duister verleden, moeten ze zich dus samen in één punt hebben bevonden: een oeratoom, een punt met een oneindige dichtheid. Waaruit het heelal is ontstaan na een soort gigantische explosie, de big bang, de oerknal. Een prachtige theorie was geboren, spectaculaire bevindingen waren het gevolg. Zo kon, onder meer aan de hand van de snelheid waarmee het heelal uitdijt, worden berekend wanneer de knal had plaatsgevonden. Dat was ongeveer 15 miljard jaar geleden. Maar compleet was de theorie niet, want een aantal hardnekkige raadsels bleef onverklaard.

Een van die raadsels heeft te maken met de aanvangsomstandigheden van het heelal, meer bepaald de verhouding tussen aantrekkingskracht en uitdijingssnelheid. Als de oerknaltheorie klopt, dan moet die verhouding zo uitzonderlijk zijn geweest dat een verklaring ervoor buiten het bereik van de wetenschap ligt. Zo komt er voor je het weet een goddelijke ingreep om de hoek kijken. Of de cirkelredenering die bekendstaat als het 'antropisch principe' (van anthropos, Grieks voor mens): als de aanvangsomstandigheden ook maar een tikje anders waren geweest, dan hadden wij ons daar nu geen zorgen over kunnen maken. We zouden niet bestaan hebben. Het feit dat er iemand is om na te denken over het begin, impliceert dat het begin er precies zo en niet anders uitzag. Tja.

Een ander mysterie dat met de oerknaltheorie niet te doorgronden valt, is het zogenaamde horizonprobleem. Gebieden in het heelal die te ver uit elkaar liggen om ooit contact met elkaar te hebben gehad, vertonen toch ongeveer dezelfde achtergrondstraling of temperatuur. Dus, ooit moet er contact zijn geweest (namelijk om warmte uit te wisselen), hoewel het toch niet kan. Kortom: de oerknaltheorie schoot tekort. Vandaar dat andere theorieën, die de vraag naar het begin omzeilen, ermee bleven concurreren. Tot Guth in de jaren tachtig een enorme sprong voorwaarts maakte met de inflatietheorie. Een theorie die zo revolutionair was dat het jaren duurde voor de hele natuurwetenschappelijke wereld haar ernstig nam. Nu kan niemand er nog omheen.

wat was die oerknal overigens precies? Een gewone explosie alleszins niet, omdat er nog geen ruimte was waarin iets kon exploderen. Zelfs de tijd bestond nog niet. Tijd en ruimte werden als het ware samen geschapen door een weliswaar snelle maar gelijkmatige (lineaire) uitdijing van dat oeratoom. En wat is inflatie? Ultrasnelle (exponentiële) uitdijing. Meer bepaald stelt de inflatietheorie dat het heelal na een nanofractie van een seconde al bijna zijn huidige omvang had bereikt, waarna de veeleer langzame uitdijing die we nu nog zien, inzette. Het heelal verdubbelde in die nanofractie honderd keer na elkaar in omvang.

Honderd verdubbelingen: het lijkt niet zoveel, maar schijn bedriegt. Denk aan het beroemde, door Guth prachtig vertelde verhaal van de Indische koning Shirham, die zijn grootvizier Sissa Ben Dahir wilde belonen voor de uitvinding van het schaakspel. Ben Dahir vroeg één graankorrel voor het eerste veld, twee voor het tweede, vier voor het derde, enzovoort, tot en met het vierenzestigste veld. Het leek de koning een prima deal. "Shirhams wiskunde werd echter snel bijgespijkerd toen zijn dienaren eerst zakken en later wagenladingen vol graan binnenbrachten," schrijft Guth. "Al snel werd duidelijk dat alle graan in Indië nog niet voldoende was om de koning zijn belofte te laten inlossen."

De twee grote raadsels waarop de oerknaltheorie het antwoord schuldig bleef (en nog een paar andere), worden met het inflatiemodel perfect verklaard. Het horizonprobleem is opgelost, want alle gebieden in de kosmos lagen voor de inflatie dicht genoeg bij elkaar om warmte uit te wisselen, waarna ze razendsnel erg ver uit elkaar geslingerd werden. Het probleem van de aanvangsomstandigheden was ook van de baan: inflatie leidt namelijk als vanzelf tot de verhoudingen die nodig zijn om het heelal zoals we dat kennen tot stand te brengen. Nog een pluspunt: terwijl de oerknaltheorie impliceert dat alle materie die nu bestaat van meet af aan aanwezig was in dat ene oneindig dichte punt, volstaat de inflatietheorie met een minimale beginhoeveelheid materie, zo'n driehonderd gram. Het scheelt een slok op een borrel.

Voorts weten we dankzij Guths theorie iets meer over de aard van de oerknal. Want wat voor iets was die knal? Die korte periode van enorme inflatie, dus. Met andere woorden: Guth verklaart wát er precies knalde.

Toen de Cosmic Background Explorer (COBE) in 1989 door de Nasa werd gelanceerd om de achtergrondstraling in het heelal te meten, braken er spannende tijden aan voor Guth. Met de resultaten van COBE zou zijn theorie kunnen vallen of staan. De eerste metingen werden bekendgemaakt in januari 1990: de achtergrondstraling (de temperatuur die overblijft van de oerknal, zeg maar) bedraagt overal in het waarneembare heelal ongeveer 2,7 graden Kelvin. Dat is 2,7 graden boven het absolute nulpunt, ofwel ongeveer min 270 graden Celsius. Het horizonprobleem was hiermee aangetoond en daarvoor had inflatie de oplossing al aangereikt. Twee jaar later maakte het COBE-team nog andere en nauwkeuriger metingen bekend, die te maken hebben met ongelijkmatigheden in het heelal die worden voorspeld door Guths theorie en die nodig zijn om de klontering van het heelal (de vorming van sterren en sterrenstelsels) mogelijk te maken. Guth herinnert zich de opwinding die gepaard ging met de bekendmaking van de resultaten: "De overeenkomst tussen de gegevens en de voorspelling van de inflatietheorie was vrijwel volmaakt."

Maar we waren dus begonnen met niets. En na een nanofractie van een seconde was er dus alles, of toch zo goed als: na de inflatie was de huidige omvang van het heelal grotendeels bereikt en de oersoep was klaar om te condenseren. Die soep kon immers niet zo heet worden gegeten als ze werd opgediend. Vlak na punt nul bedroeg de temperatuur een slordige 100.000 quadriljoen graden Celsius (een 1 met 30 nullen). Zo heet is het zelfs in het binnenste van een ster niet. Na één uur was de temperatuur gezakt tot een al wat comfortabeler 200 miljoen graden. Toch zou het nog 300.000 jaar duren voor het 'koud' genoeg was om de atomen te vormen waaruit u, uw stoel en deze krant bestaan. Maar voordat die atomen konden worden gevormd, moesten er atoomkernen en elektronen ontstaan. En voor die atoomkernen waren dan weer protonen en neutronen nodig, die op hun beurt uit quarks bestaan.

De vuistregel is: hoe heter, hoe elementairder de deeltjes. Hitte is in zekere zin namelijk hetzelfde als beweging. Simpel gesteld: zolang de protonen en neutronen te snel bewogen, konden ze zich niet verenigen in atoomkernen. Dat proces van vereniging noemt men kernsynthese. Maar hoe hebben we dat proces kunnen reconstrueren? Denkwerk is maar een deel van het antwoord. Er bestaan experimenten waarmee wetenschappers het pad van de schepping in omgekeerde richting bewandelen. Dat doen ze met zogenaamde deeltjesversnellers: kilometers lange tunnels waarin deeltjes worden versneld tot ze uiteenvallen in hun meer elementaire bestanddelen. De huidige deeltjesversnellers leren ons precies hoe de zaken er één uur na de oerknal voor stonden, bij 200 miljoen graden dus. Verdere extrapolatie is mogelijk tot een 10 tot de min 39ste seconde ( nul komma 38 nullen en een 1) na punt nul.

En zo raakt de studie van het allergrootste (het heelal) de studie van het allerkleinste (het atoom en zijn bestanddelen). Over de subatomaire deeltjes en de wisselwerkingen - of krachten - daartussen, gaat het in de quantumtheorie. De drie krachten die op subatomair niveau spelen zijn de zwakke kernkracht, de sterke kernkracht en de elektromagnetische kracht. Ooit, vlak na punt nul, waren die krachten verenigd in één enkele kracht of wisselwerking. Die kracht ontdekken is het doel van de zogenaamde Grand Unified Theories (Grote-unificatietheorieën), waarvan een twintigtal varianten bestaat.

Guth gaat ook hierop in, omdat het startpunt van zijn onderzoek dat leidde tot de inflatiehypothese werd gevormd door bepaalde voorspellingen die de GUT's doen. Geen van de bestaande GUT-varianten slaagt er alsnog in om ook de zwaartekracht mee te rekenen, omdat die zwaartekracht op subatomair niveau van verwaarloosbaar belang is. Daarom zijn de relativiteitstheorie (in essentie een zwaartekrachttheorie) en de quantumtheorie alsnog niet met elkaar te verzoenen. Maar de droom om die verzoening tot stand te brengen, blijft bestaan. De droom om ooit die ene basiswet van de natuur te ontdekken moet in principe te verwezenlijken zijn, aldus Guth: "De natuur kiest voor spaarzaamheid. De eenvoudigste theorie is vaak de juiste."

Ook over punt nul wordt onder fysici natuurlijk flink wat afgespeculeerd. Want hoe zat het nu eigenlijk met dat 'niets' waaruit 'alles' is ontstaan?

Vervolg op de volgende pagina

Ook hiervoor wendt Guth zich tot de quantumtheorie. Eerst en vooral zegt hij dat "het denkbeeld van het absolute niets in ieder geval wiskundig goed gedefinieerd is en bruikbaar als uitgangspunt voor scheppingstheorieën". Vervolgens komt hij via de hypothese van een collega tot het idee dat we ons perfect kunnen voorstellen dat "het heelal begon met een volkomen lege meetkunde, een absoluut niets, en vervolgens door quantumtunnels (een proces dat overgangen die in de zichtbare wereld niet mogelijk zijn, wel mogelijk maakt) een overgang maakte naar een niet-lege toestand." Dat een op die manier ontstaan heelal aanvankelijk kleiner is dan een atoom, is geen probleem. Dankzij de inflatie kon het immers snel vergroten tot zijn huidige omvang. Verbijsterend? Het is nog niet gedaan.

De inflatietheorie heeft implicaties die ronduit duizelingwekkend zijn. Die verkent Guth in de laatste, weliswaar speculatieve maar even grondig onderbouwde hoofdstukken. Zo zou het inflatieprocédé kunnen inhouden dat er niet één maar verschillende heelallen bestaan. Wellicht oneindig veel zelfs. En nog sterker: de inflatie zou eeuwig kunnen doorgaan, zodat er constant nieuwe heelallen worden geschapen. Guth: "Als het denkbeeld van de eeuwige inflatie klopt, dan was de oerknal geen unieke scheppingsdaad, maar lijkt deze gebeurtenis meer op het biologische proces van celdeling."

Helemaal tot de uithoeken van onze verbeelding dringt de suggestie van Guth door dat het mogelijk is dat een supergeavanceerde beschaving ooit in staat zal zijn om een heelal te scheppen door middel van inflatie. En dus oneindig veel heelallen. Het recept is immers niet al te ingewikkeld. Niet ingewikkelder dan dat voor een schuimgebakje, aldus Guth, die lustig doorfilosoferend uitkomt bij de vraag of wij misschien een heelal bewonen dat ooit werd geschapen door zo'n supergeavanceerde beschaving. Want dat er leven bestaat op andere plekken in het universum, daaraan lijkt Guth geen moment te twijfelen. Enfin, ook voor fans van de betere (wetenschappelijk onderbouwde) sciencefiction is dit een heerlijk boek.

Tot slot stipt Guth twee veeleer prozaïsche vraagstukken aan waarmee de wetenschap nog niet in het reine is. Eén: de leeftijdscrisis van het heelal. De geschatte ouderdom van sommige sterren ligt hoger dan de geschatte leeftijd van het heelal en vormt dus een nog te nemen obstakel. Twee: we weten dat veruit het grootste deel van de materie waaruit het heelal bestaat onzichtbaar is. Maar we weten niet waaruit ze bestaat. We weten er niets over, behalve dat ze er is.

Tot zover een summiere en soms al te vereenvoudigde schets van de kosmologische stand van zaken zoals Guth die haarscherp en stap voor stap uitlegt. Het Uitdijende Heelal is echter meer dan zomaar een boek dat uitlegt en verklaart. Het is tegelijk de spannende autobiografie van een gedreven wetenschapper die onderzoekt, struikelt, valt en weer opstaat alvorens uiteindelijk "Eureka!" te roepen. Een chronologisch verslag van de wording van een theorie waarbij Guth tal van inzichten kreeg aangereikt door collega's overal ter wereld.

Het boek laat zien hoe wetenschappers soms tot ontdekkingen komen door halsstarrig vast te houden aan op het eerste gezicht potsierlijke ideeën. Hoe ze vaak met hun ideeën moeten leuren om gehoor te krijgen. Hoe een nieuw denkbeeld de wetenschappelijke gemeenschap langzaam verovert via congressen, informele contacten en toevallige ontmoetingen. Soms leest Het Uitdijende Heelal als een dagboek, waarin de auteur behalve professionele activiteiten ook anekdotes uit zijn privé-leven noteert. En uit dat van zijn collega's, zoals het grappige verhaal van zijn Russische collega Andrei Linde, die na een vruchtbaar nachtelijk telefoongesprek met een medewerker zijn vrouw wakker maakte met de mededeling: "Ik denk dat ik weet hoe het heelal is ontstaan!"

Vanzelfsprekend bedient Guth zich af en toe van ingewikkelde termen. Ronduit noodzakelijk is dan ook het complete lexicon achteraan, waarin elke term helder wordt gedefinieerd. En voor alfa's met watervrees mag het geruststellend heten dat behalve E = mc2 in dit hele boek geen enkele wiskundige vergelijking voorkomt. Dat wil niet zeggen dat elk hoofdstuk erin gaat als een schuimgebakje. Wie echter dreigt te stranden, moet gewoon de kern proberen te vatten zonder de details te willen begrijpen en doorlezen. Guth vat onderweg regelmatig samen wat voorafging, zodat je telkens weer kunt inhaken. Wie zich niet laat ontmoedigen door de occasionele onduidelijkheid wacht een waar intellectueel orgasme. Verder strekt het tot troost dat de auteur zelf toegeeft dat opmerkingen van collega's soms boven zijn petje gingen. Het Uitdijende Heelal is niet het eerste boek over de inflatietheorie. Twee aanbevelenswaardige titels die een en ander ook bevattelijk uitleggen, zijn Oerlicht van Alan Lightman (Bert Bakker) en In the Beginning van John Gribbin (Penguin). Nu komt Guths (voortreffelijk vertaalde) boek natuurlijk meteen met stip op één. Zoals Alan Lightman in het voorwoord schrijft: "Er kunnen veel populair-wetenschappelijke boeken over dit onderwerp worden geschreven, maar slechts één daarvan kan door Alan Guth worden geschreven." Het ontwikkelen van de inflatietheorie was een verpletterende krachttoer waarmee Guth zijn plaats in het pantheon van de wetenschap heeft verdiend. Zijn geduldige verklaring ervan aan de geïnteresseerde leek is weliswaar een krachttoer van een iets lagere orde, maar niettemin: mag dit prachtboek spoedig een bestseller worden, alle penselen van de liefde nog aan toe!

Joël De Ceulaer

Alan H. Guth (vertaald door Patty Adelaar), Het Uitdijende Heelal. Wat gebeurde er voor de oerknal?, Contact in samenwerking met Natuur & Techniek, Amsterdam, 363 p., 1500 frank.

(Foto Benelux Press)

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