Je leest:

Het verleden is een ander heelal

Het verleden is een ander heelal

Auteur: | 26 oktober 2006

Het einde van het ene heelal is het begin van het andere, denkt Roger Penrose. In de verre toekomst, als alle deeltjes verdwenen zijn en de tijd stilstaat, kan uit ons uitgebrande heelal zomaar een nieuw universum ontstaan. En omgekeerd: ‘voor onze Oerknal bestond er een ander heelal’.

Roger Penrose (1931) is een wis- en natuurkundige duizendpoot van beroep en houdt wel van pittige onderwerpen. Samen met sterrenkundige Stephen Hawking is Penrose verantwoordelijk voor doorbraken in de theorie van zwarte gaten en de Oerknal, maar ook verbanden tussen kwantumtheorie en bewustzijn hebben zijn belangstelling. Sinds een jaar reist Penrose de wereld rond om lezingen te geven over het raadsel waar hij nu zijn tanden in heeft gezet: het begin van het heelal. ‘Het is een heel simpele vraag, die je in de sterrenkunde nooit mag stellen: wat was er voor de Oerknal?’

Penrose tijdens een lezing aan de Universiteit van Minnesota. bron: U. Minnesota. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Sterrenkundigen hebben al jaren een Standaard Model van het jonge heelal. Hoe wijkt uw theorie daarvan af? ‘Laat ik vooropstellen dat we het over een hoop dingen eens zijn! Zo’n 13,5 miljard jaar terug zat alle materie in het zichtbare heelal op elkaar geperst in een ruimte kleiner dan een atoomkern, met een oneindig hoge druk en temperatuur. Sindsdien is het geheel uitgezet en afgekoeld. Wat het Standaard Model zegt, mijn collega Stephen Hawking vertelde het vorige week nog in de Britse tegenhanger van Oprah, is dat met de Oerknal ook ruimte en tijd ontstonden. Net zoals je niet langzamer kunt bewegen dan stilstaan of kouder kunt koelen dan het absolute nulpunt kun je dus ook niet spreken van ‘voor de Oerknal’: de tijd begint in het Standaard Model op het moment van de Oerknal. Een jaar geleden had ik dat ook gezegd, maar ik heb nu nieuwe inzichten. Een van de voordelen van wetenschapper zijn: je mag je mening bijstellen.’

‘Mijn voorstel is, en nu wordt het controversieel, dat er wél iets was voor ons heelal en dat er ook iets ná ons komt. De manier waarop we van het ene naar het andere heelal gaan verklaart een hoop onbeantwoorde vragen in de sterrenkunde. Elk heelal begint volgens mij vlak – dat wil zeggen dat er geen klonteringen van massa zijn – en het eindigt ook zo. Zo kun je het ene heelal aan het andere knopen.’

De Oerknal volgens de heersende theorie van het Standaard Model. Tussen de 13 en 14 miljard jaar geleden begonnen tijd en ruimte in een oneindig klein punt. Ruimte en tijd groeiden in een fractie van een seconde – inflatie – en de gloeiende massa subatomaire deeltjes begon samen te klonteren tot kerndeeltjes en atomen. Zo’n 380.000 jaar na de Oerknal was het heelal koud genoeg om echte atomen te vormen. Het heelal werd voor het eerst doorzichtig en het eerste licht stroomde de ruimte in. Dat licht zien we nu nog als de kosmische achtergrondstraling. Terwijl het heelal verder groeide en uit klonteringen materie ontstaan de eerste sterrenstelsels. bron: NASA / WMAP Science Team. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Penrose is al sinds 1979 bezig met het vroege heelal. Met zijn Weyl-hypothese hoopt hij twee raadsels van de moderne sterrenkunde op te lossen: aan de ene kant de vreemd gelijkmatige verdeling van materie door het heelal, aan de andere kant de strakke ordening die het jonge heelal volgens hem moet hebben.

‘Die orde komt voort uit de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica, een heel simpele regel die zegt dat alle systemen van nature steeds wanordelijker worden. Anders gezegd: de entropie kan alleen maar groter worden en omgekeerd hoor je als je terugkijkt in de tijd steeds meer ordening te zien. Denk aan gasmoleculen die met zijn allen beginnen in één hoek van een kamer: een heel onwaarschijnlijke toestand. In de loop der tijd verspreiden ze zich steeds verder, tot ze de hele ruimte gelijkmatig vullen. Aan het begin van de tijd moet ons heelal in een heel speciale toestand zijn geweest. Alle materie, eerlijk verdeeld over het heelal zonder klonten waar dan ook? Dat is fantastisch onwaarschijnlijk! Waarom is het heelal precies zó begonnen?’

‘Veel collega’s willen in hun heelalmodellen geen rekening houden met de Tweede Hoofdwet. Zulke fine-tuning vinden ze niet netjes, want hoe algemener je een theorie kunt houden, hoe beter. Maar de Tweede Hoofdwet is nu eenmaal een feit en dwingt je naar een bijzonder lage entropie bij de Oerknal. Het is me een raadsel waarom niet méér wetenschappers hierover nadenken. De precisie die je nodig hebt om ons heelal in zijn oorspronkelijke toestand te krijgen is een absurd klein getal: 1 op 1010100.’

‘Voor mij kan het niet anders, of er is een diepere reden voor dat extreem onwaarschijnlijke begin.’

Zwarte gaten zijn problematisch voor natuurkundigen. Niet alleen omdat wat erin valt er nooit meer uitkomt, tenzij als wanordelijke Hawking-straling, maar ook omdat ze natuurkundige formules aan flarden scheuren. In het centrum van een zwart gat zitten deeltjes oneindig dicht op elkaar geperst. Je hebt de kwantumtheorie én de relativiteitsleer nodig om zo’n singulariteit fatsoenlijk te beschrijven, maar die twee theorieën zijn niet in dezelfde formules te vangen. Een overkoepelende theorie van zwaartekracht én de kwantumwereld kan niet alleen zwarte gaten, maar ook de opeengehoopte massa tijdens de Oerknal beschrijven. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

De Oerknal, het begin van het heelal, is één grote explosie. Dat is toch niet geordend te noemen? ‘De start van het heelal ziet er inderdaad uit als een toestand van chaos, van heel hoge in plaats van lage entropie. De Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2006 is uitgereikt voor de ontdekking dat het heelal zo’n 300.000 jaar na de Oerknal gevuld was met een bijna perfect gladgestreken massa materie. Nergens klontjes, nergens opeenhopingen van materiaal, geen structuur in te bekennen. Maar dat beeld van een ongeordend heelal is misleidend: de bijdrage van de materie aan de entropie is dan wel hoog door die wanordelijke menging, maar de entropie in de zwaartekracht van het vroege heelal is juist heel laag en die levert de grootste bijdrage aan het geheel.

‘Van nature probeert zwaartekracht dingen te laten klonteren, terwijl een heet gas juist wijdverspreid wil zijn. Twee verschillende toestanden van hoge entropie dus. Zwaartekracht blijkt de allergrootste bijdrage te leveren aan de totale entropie en de entropie is het hoogst als je alle materie in een zwart gat stopt. Zo bekeken is die gladde verdeling van materie in het vroege heelal dus een toestand van heel lage entropie. Vanuit zo’n begin kan de entropie steeds verder stijgen door materie samen te trekken in sterrenstelsels, sterren en planeten.’

Dit gesimuleerde heelal begint met een gelijkmatig verdeelde zee van materie. Kleine instabiliteiten zorgen voor klontering en de zwaartekracht van die oneffenheden zorgt dat de gladde massa instort tot een serie draden en knopen; precies de verdeling van echte sterrenstelsels door het heelal. bron: Andrey Kravtsov, National Center for Supercomputer Applications, Universiteit van Chicago. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Hoe komt het heelal aan die gladgestreken begintoestand? ‘Dat is precies de vraag die ik wil beantwoorden. Ik moet wel waarschuwen: dit is een redelijk onconventionele manier om de zaak te bekijken!’

‘De vlakheid hangt volgens mij samen met de waarde van de Weyl-tensor, een van de grootheden in de Algemene Relativiteitstheorie. De Weyl-tensor geeft aan of de zwaartekracht voorwerpen probeert te vervormen, zoals het getijde-effect van de maan op de aarde rondreizende bergen en dalen in het water maakt. Zulke effecten krijg je alleen door plaatsen van lage en hoge massadichtheid, dus door klonteringen in de materie. De Oerknal is volgens mij zo bijzonder omdat de waarde van de Weyl-tensor daar naar nul gaat. Dat is mijn Weyl-hypothese en het betekent dat de materie glad verdeeld is, met een entropie in de zwaartekracht – precies wat de Tweede Hoofdwet voorspelt.’

Is er een diepere reden waarom de Weyl-tensor zo klein moet zijn bij de Oerknal? ‘Volgens mij heeft de lage waarde in het verleden te maken met de lage waarde in de verre toekomst. Ooit wordt ons universum ontzettend saai, omdat er geen normale materie meer is waar wij mensen, maar ook de sterren, uit bestaan. Over miljarden, miljarden jaren is alle materie opgeslokt door de gigantische zwarte gaten in de kernen van alle sterrenstelsels. Je zou denken dat die eeuwig blijven bestaan – uit een zwart gat kan niets ontsnappen – maar zelfs zwarte gaten kunnen vergaan.’

‘Stephen Hawking heeft uitgerekend dat zwarte gaten een temperatuur hebben en zo in contact staan met hun omgeving. Als de temperatuur in hun omgeving ver genoeg zakt, beginnen zelfs zwarte gaten te verdampen omdat ze warmer zijn dan het omringende heelal. Omdat het heelal uitdijt en de energie van de Oerknal over een steeds groter volume uitgesmeerd raakt wordt ooit vanzelf kouder dan de Hawking-temperatuur. Dan beginnen de zwarte gaten energie en massa uit te zenden in de vorm van Hawking-straling. Uiteindelijk blijft er een heelal gevuld met straling over. Massa is de bron van relativiteitseffecten zoals de Weyl-tensor en als de massa verdwijnt, verdwijnt ook dat deel van de zwaartekracht en wordt het heelal wordt weer net zo vlak als het in het begin was. Sterker nog: die twee lopen naadloos in elkaar over.’

Een artist’s impression van een verdampend zwart gat. Elk zwart gat zendt aan zijn rand zogenaamde Hawking-straling uit en verliest daardoor massa. Hoe lichter het gat, hoe sneller het massaverlies; zwarte gaten komen met een flits van energie aan hun eind. bron: CERN / Aurore Simonet.

De verre toekomst van het heelal is meteen het verre verleden? ‘Wat ik voorstel is dat aan het einde van het heelal een nieuw heelal kan ontstaan. Wat er gebeurt noemen natuurkundigen een faseovergang, zoals koud water ineens kan bevriezen. Van een tijdloos en met straling gevuld heelal klapt het heelal naar een nieuwe toestand van hoge temperatuur en hordes deeltjes. De verbinding tussen die twee is de lage waarde van de Weyl-tensor: het einde van het vorige heelal en het begin van het huidige heelal waren allebei vlak, zonder klonteringen in de massa en de zwaartekracht.’

‘Ik hoop dat je de natuurconstantes van zo’n nieuw heelal kunt berekenen. Het mooiste lijkt me als je daar geen keuze in hebt, dus als het heelal zoals wij dat kennen de enige mogelijkheid is. Als de natuurconstantes kunnen veranderen bij een faseovergang kan ik me voorstellen dat je op een gegeven moment een cyclus krijgt. Van heelalsoort A naar soort B naar soort A, enzovoorts. We weten gewoonweg te weinig om daar nu al uitspraken over te doen.’

Om de overgang van het ene heelal naar het andere te beschrijven hebben wetenschappers een theorie voor nodig die de relativiteitstheorie en de kwantumtheorie verenigt. Die twee theorieën zijn de succesverhalen van de moderne natuurkunde, maar gebruiken compleet verschillende wiskunde om hun voorspellingen te doen. De relativiteitstheorie beschrijft de zwaartekracht en de grote structuur van het heelal, de andere verenigt de andere drie elementaire krachten en voorspelt het gedrag van materie op de allerkleinste schalen. Tot nu toe is het niemand gelukt die twee theorieën in één wiskundig model te vatten.

De Weyl-tensor uit de Algemene Relativiteitstheorie in aktie. Dit is de grote cluster van sterrenstelsels Abell 2218, bekeken met de Hubble-ruimtetelescoop. De bogen licht zijn geen foutje in de telescoop, maar licht van achter de cluster dat door de enorme massa van Abell 2218 wordt afgebogen. De vervorming wordt veroorzaakt door het Weyl-deel van de Relativiteitstheorie. bron: Andrew Fruchter (STScI) et al., WFPC2, HST, NASA. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Dé theorie die claimt kwantum en relativiteit te verenigen is de snaartheorie. Kan die uw overgang tussen heelallen beschrijven? ‘Ik zie nog geen enkele bestaande theorie dit soort beschrijvingen rondkrijgen. Wat we nodig hebben is een theorie van kwantumverschijnselen én algemene relativiteit. De meeste wetenschappers proberen de relativiteitstheorie in het raamwerk van de kwantummechanica te wringen, maar volgens mij moet de kwantummechanica zelf ook op de helling. Ze moeten allebei buigen om fatsoenlijk samen te gaan.’

‘De snaartheorie geeft ons misschien meer begrip van het heelal, maar uiteindelijk ben ik niet gelukkig met de onzichtbare extra dimensies die de theorie nodig heeft. De manier waarop ze worden weggetoverd…zesentwintig dimensies zouden er hetzelfde uitzien als elf en tien en vier? Daar kan ik niets mee. Als ze die overtollige dimensies eruit werken kan het best wat worden. Zoals ze er nu uitziet vind ik de snaartheorie geen echte beschrijving van kwantumzwaartekracht.’

De snaartheorie beschrijft deeltjes en krachten als trillende snaartjes van 10-33 meter groot: 33 nullen erachter de komma. Op het eerste gezicht verschillende deeltjes zijn in de theorie iets anders trillende kopieën van dezelfde basissnaar. bron: JAXA.

Een theorie zonder bewijs staat in de wetenschap niet sterk. Is uw idee van aaneengeschakelde heelallen met een experiment te testen? ‘In principe wel. Bij de overgang tussen twee fases van het heelal gaat een hoop informatie verloren, maar ik kan me voorstellen dat bijvoorbeeld zwaartekrachtgolven (rimpels in de ruimtetijd) worden doorgegeven. Als de loodzware zwarte gaten die aan het eind van de tijd rondzwerven met elkaar botsen, veroorzaken ze enorme zwaartekrachtsgolven. Misschien kunnen we de sporen die zulke golven achterlaten in de materiezee van ons vroege heelal terugvinden. Die kun je dan weer opgraven uit kleine rimpels in de kosmische achtergrondstraling.’

Uw voorstel om uit het ene heelal een ander te maken werkt alleen als de materie en zijn zwaartekracht verdwijnen. Als zwarte gaten verdampen spugen ze niet alleen straling, maar ook deeltjes uit. Hoe lost u dat probleem op? ’Dat is nog een probleem van de theorie, maar het is niet onoverkoombaar. Er zijn aanwijzingen dat alle deeltjes vergankelijk zijn en kunnen verdwijnen in een flits straling. Sommige deeltjes leven maar een fractie van een seconde, andere zijn langer houdbaar. Die lang houdbare deeltjes – protonen en elektronen bijvoorbeeld – zijn natuurlijk het probleem.

‘Vooral de elektronen beginnen irritant te worden; ik heb nog geen manier gevonden waarop die kunnen vervallen. Als de natuurconstantes langzaam veranderen, ook daar zijn aanwijzingen voor, is er iets te doen met een veranderende elektronmassa. Wie weet verdampen elektronen en andere deeltjes wel langzaam, maar duurt dat ontzettend veel langer dan ons heelal al bestaat.’

Het nagloeiende licht van de Oerknal, de kosmische achtergrondstraling die ondertussen is afgekoeld tot bijna drie graden boven het absolute nulpunt. Uit temperatuurvariaties in die straling is misschien bewijs voor Penrose’s heelal-voor-ons-heelal te vinden. bron: WMAP. _ Klik op de afbeelding voor een grotere versie._

Gaat uw model uitgroeien tot dé theorie van het heelal? ‘Kijk, om eerlijk te zijn: er kleven nog genoeg problemen aan dit idee. Wat ik nodig heb zijn mensen die eraan meewerken, experts uit allerlei verschillende disciplines als kosmologie, deeltjesfysica, wiskunde…in mijn eentje krijg ik een theorie van kwantumzwaartekracht natuurlijk niet van de grond. Gelukkig zijn er mensen van naam die soortgelijke ideeën hadden. Ik ben een boek over Einstein’s mening over de kwantummechanica aan het proeflezen, waarin hij soortgelijke ideeën naar voren brengt. Weyl, van de tensor, heeft zelf een vergelijkbaar idee geopperd. Ook Gabriele Veneziano, een van de stichters van de originele snaartheorie over elementaire deeltjes, denkt deze richting op.’

‘Tot nu toe zijn de reacties van vakgenoten verbazingwekkend positief. Ik weet niet zeker of ik dat wel zo leuk vind! Toen ik radicale ideeën over kwantumtheorie en bewustzijn opperde in _The Emperor’s New Mind_ werd ik keihard aangevallen. Dat was in ieder geval een teken dat men me serieus nam. Aan de andere kant, tot nu toe heeft niemand tegen me gezegd dat mijn Weyl-hypothese een verschrikkelijk stom voorstel is. Ze lijken het wel een goed idee te vinden.’

In plaats van een heelal dat uit het niets ontstond stelt u een eindeloze reeks van universa voor. Is die reeks ooit begonnen of kun je oneindig ver terug? ‘Als je de formules mag geloven die ik nu gebruik kun je terugrekenen door de verschillende fases van het heelal, steeds verder. Er lijkt een soort begin van de reeks te zijn, een punt waar tijd en ruimte oorspronkelijk van start gingen. Hoe dat theoretisch in elkaar zit…ik neem aan dat iedereen daar een eigen antwoord op zal verzinnen. Religieus geïnspireerde mensen halen God er misschien bij. Het is een probleem voor iemand anders om over na te denken.’

Ontstaan van het heelal – Oerknal, of…?

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 oktober 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.