De toekomst van het heelal
Wetenschappers zijn perfectionisten. Neem bijvoorbeeld Isaac Newton. Nadat hij vrijwel de complete klassieke mechanica en de werking van de zwaartekracht had afgeleid, zat hij met een groot probleem dat hij maar niet opgelost kreeg. Als zijn ideeën over de zwaartekracht klopten, en alle voorwerpen elkaar aantrekken, hoe kwam het dan dat het heelal niet in elkaar stortte? Hij sprak erover met theoloog Richard Bentley, en samen trokken ze de conclusie dat ’God’s welwillendheid’ verantwoordelijk was voor het stabiele universum.
Het Newtoniaanse heelalbeeld heeft lang stand gehouden. Het begon pas te wringen toen Einstein in 1916 met zijn algemene relativiteitstheorie kwam. Einstein liet de vergelijkingen van zijn theorie los op het heelal, en kwam tot de verbazingwekkende conclusie dat het heelal kon inkrimpen of uitzetten, maar niet stabiel kon blijven. Omdat hij ervan overtuigd was dat het heelal statisch is, introduceerde Einstein een constante in zijn vergelijkingen waarmee dit wel kon.
Ironisch genoeg was het in 1927 een priester die voor het eerst het idee opperde dat het heelal wel degelijk uitdijt. Georges Lemaître paste Einstein’s vergelijkingen toe op een vereenvoudigd heelalmodel waarin de materie in alle richtingen gelijk verdeeld is. Hij vond daarmee dat het heelal vanuit een hele compacte situatie kon zijn geëvolueerd, en dat het steeds groter wordt. En daar hield het niet bij op. Lemaître opperde dat het heelal misschien uit een enkel punt kon komen, een soort oeratoom. De Britse kosmoloog Fred Hoyle noemde dat idee gekscherend de ‘Big Bang’… ↑ terug naar boven ↑
Inkrimpen of uitdijen?
Ondertussen zijn zo’n beetje alle wetenschappers het erover eens dat Einstein het bij het juiste eind had – voordat hij zijn constante introduceerde dan. De allergrootste aanwijzing daarvoor werd in 1929 door Edwin Hubble gevonden. Hij bestudeerde verre sterrenstelsels en de kleur licht die ze uitzonden, en vergeleek die kleuren met de spectra van licht die we verwachten. Tot zijn verbazing waren alle sterrenstelsels heel erg rood. Dat kan worden uitgelegd met het Dopplereffect (bekend van de langsrazende ambulance), door te stellen dat de sterrenstelsels zich met grote snelheid van ons af bewegen. En als bijna alles in het heelal zich van ons verwijdert, hoe is dat dan anders uit te leggen dan met een uitdijend heelal?
Hubble onderwierp zijn metingen aan berekeningen, en ontdekte dat sterrenstelsels die heel ver weg zijn nog veel sneller van ons vandaan bewegen dan stelsels die dichterbij zijn. Hij zette zijn metingen in een grafiek en leidde een wet af, die nu nog bekend is als de Wet van Hubble. Volgens die wet is de snelheid waarmee een sterrenstelsel zich van ons afbeweegt gelijk aan een constante factor (de Hubbleconstante H0) vermenigvuldigd met zijn afstand. Die Hubbleconstante bleek later niet echt een constante te zijn maar een factor die met de tijd steeds groter wordt. Het heelal dijt dus uit, en steeds sneller.
In deze animatie is te zien hoe sterrenstelsels steeds verder uit elkaar komen te liggen als het heelal uitdijt: op ieder punt beweegt alles van je af. Het Dopplereffect zorgt ervoor dat licht van een object dat van je af beweegt onderweg roder van kleur wordt.
Hoewel het bewijs voor een uitdijend heelal overtuigend is, betekent dit niet dat Einstein’s berekeningen over een inkrimpend heelal niet klopten. Die mogelijkheid bestaat wiskundig gezien ook, maar is in ons heelal simpelweg niet van toepassing. Aangezien we alleen het universum kennen waarin we leven kunnen we helaas nooit met zekerheid zeggen of andere heelalmodellen in het algemeen kloppen. ↑ terug naar boven ↑
Big Crunch of eindeloze leegte?
Met de conclusie dat het heelal uitdijt zijn we nog niet zover dat we de toekomst van het heelal kunnen voorspellen. Iemand die dat wel heeft geprobeerd was de Nederlandse wetenschapper Willem de Sitter, en de drie mogelijkheden die hij vond gelden nog steeds als de aannemelijke modellen over de toekomst van het heelal.
In het eerste heelalmodel van de Sitter bevinden we ons op een punt van de heelalgeschiedenis waarin alles uitdijt. Maar die expansie gaat steeds langzamer, en komt op een gegeven moment geheel tot stilstand. Daar houdt het niet bij op, want volgens dit model zal het heelal uiteindelijk onder invloed van de zwaartekracht gaan inkrimpen, totdat er over miljarden jaren een ‘Big Crunch’ wordt bereikt – alles gaat weer terug naar waar het vandaan kwam. Uit die ‘Big Crunch’ kan dan weer een nieuwe Oerknal komen, en zo begint in dit cyclische heelal alles weer overnieuw.
Het tweede model van de Sitter is een grensgeval, waarbij er weliswaar niet zoveel materie in het heelal is dat het ineen stort, maar het uitdijen wel steeds minder snel gaat. Uiteindelijk zal het heelal dan statisch worden – maar dat duurt wel oneindig lang.
In het laatste de Sitter-model gaat de expansie van het heelal steeds sneller, waardoor alle materie-ophopingen steeds verder uit elkaar komen te liggen. De afstand tussen sterrenstelsels wordt steeds groter, en uiteindelijk wordt het heelal een enorme leegte, waarin slechts hier en daar piepkleine lichtpuntjes kunnen worden gevonden.
Tot 1990 was de theorie van de Sitter de belangrijkste uitspraak over de toekomst van het heelal, en leek het ook onmogelijk om erachter te komen welke van zijn drie modellen onze werkelijkheid beschrijft. Maar toen ontdekten sterrenkundigen door naar resten van supernova-explosies te kijken dat het heelal zo’n vijf miljard jaar na de Oerknal plotseling versneld begon uit te dijen. Dat is alleen mogelijk als er een tot nu toe onbekend veld aanwezig is in het heelal. Dat veld hebben we donkere energie genoemd. Met dit inzicht zien we dat het derde model van de Sitter waarschijnlijk het dichtst bij de werkelijkheid komt. Het heelal zal zich oneindig ver uitstrekken, totdat de dichtheid zo laag is dat er zelfs geen materie meer zal bestaan. Een immense, koude leegte lijkt het lot van ons heelal. ↑ terug naar boven ↑
Oeratoom of multiversum?
Oké, het heelal wordt dus steeds groter. Iets dat uitdijt moet begonnen zijn als iets kleins. Maar wat was dat dan? In de Oerknaltheorie wordt gesproken van een singulariteit, een oneindig klein punt met oneindig hoge energiedichtheid. Dat is een werkbare theorie, maar natuurkundig gezien is het onmogelijk om zo’n punt te hebben. De relativiteitstheorie en de kwantumnatuurkunde zijn op zo’n schaal simpelweg onverenigbaar. Behalve als je een theorie toepast die het allergrootste en het allerkleinste verenigt – de snaartheorie, bijvoorbeeld.
Hoewel we over de toepasbaarheid van de snaartheorie nog in het duister tasten, doet hij een aantal interessante uitspraken over ons heelal, en andere universa. Daar zijn wel een aantal extra dimensies voor nodig. Volgens snaartheoreten is er een goede mogelijkheid dat ons heelal een zogenaamd braan is, een soort ruimtevullend object in het multidimensionale universum. Tijdens de Oerknal zou dat object uit elkaar zijn gevallen in de drie ruimtedimensies die we kunnen zien. Zo’n braan hoeft niet uniek te zijn, en er kunnen dus naast ons heelal nog heel veel andere heelallen bestaan, elk op hun eigen manier gevormd. De natuurwetten die hier gelden kunnen er daar heel anders uitzien. De theorie neemt in ieder geval het probleem van een singulariteit weg, want als ons heelal is gevormd uit dimensies die we niet kunnen waarnemen hoeft er geen oneindig grote ophoping van energie op een oneindig klein punt te zijn geweest.
Helaas beschikken we nog niet over de technologie om de snaartheorie op waarheid te testen, maar in de komende jaren komt daar wellicht verandering in. De nieuwe deeltjesversneller in Genève, de Large Hadron Collider, zal botsingen met zulke hoge energieën produceren dat er bewijsmateriaal voor extra dimensies zou kunnen worden gevonden. Dat zou een aanwijzing zijn dat de snaartheorie klopt. In het onderstaande filmpje legt snaartheoreet Brian Greene op heldere wijze uit hoe Newton, Einstein en de veeldimensionale snaartheorie uit elkaar volgen – en wat dit betekent voor ons heelal.