Interview met astrofysicus Alan Guth, uitvinder van de inflatietheorie van het heelal

Hij was een jonge, vrijwel onbekende deeltjesfysicus toen hij zich in de problemen van de Oerknal begon te verdiepen. Zijn gedurfde aanname dat het heelal in de eerste fractie van een seconde razendsnel is geëxpandeerd bleek een doorslaand succes. Zijn inflatietheorie is niet meer weg te denken uit de moderne kosmologie.

7 februari 2015

Alan Guth tijdens zijn keynote-lezing op de jaarlijkse FOM natuurkundeconferentie in Veldhoven, 20 januari.
Arnout Jaspers

Alan Guth is inmiddels een Bekende Wetenschapper die over de hele wereld lezingen en interviews geeft, dus het is onvermijdelijk dat hij af en toe een one-liner hergebruikt. “Inflatie verklaart de ‘knal’ van de Oerknal” is zijn kortste samenvatting van de revolutionaire theorie die hij in 1979 bedacht. De klassieke oerknaltheorie zegt dat het heelal 13,8 miljard jaar geleden is ontstaan uit een gloeiend hete vuurbal die vervolgens uitdijde en afkoelde. Het sterkste bewijs daarvoor is de kosmische achtergrondstraling, het ‘nagloeien’ van de oerknal dat wij nog steeds aan de hemel kunnen zien. Terugkijkend, kunnen we de ontwikkeling van het heelal tot een seconde na de oerknal goed verklaren met vrijwel onweerlegbare natuurkunde; nog verder terug beginnen de onbewezen theorieën. De inflatietheorie is onder kosmologen favoriet omdat hij elegant twee problemen van de oerknaltheorie verklaart.

De twee problemen met de Oerknal

Het heelal zoals wij dat kennen, is 13,8 miljard jaar geleden ontstaan uit een toestand waarin de temperatuur en de dichtheid fantastisch hoog waren, veel hoger nog dan in het centrum van de zon. Deze vuurbal begon spontaan uit te dijen, waardoor hij afkoelde, zodat zich gewone materie, sterren, planeten en recentelijk de mens konden vormen. Voor dit oerknalscenario bestaan op hoofdlijnen bijna onweerlegbare bewijzen. Maar deze simpele theorie kan twee eigenschappen van het heelal niet verklaren:

welke kant we ook op kijken, het verre heelal ziet er vrijwel identiek uit. Dit kan geen toeval zijn, maar tussen tegenoverliggende delen van ons zichtbare heelal kan – met hoogstens de lichtsnelheid – nooit contact geweest zijn. Kort na de oerknal zaten die delen weliswaar dichter op elkaar, maar toen was er ook veel minder tijd verstreken waarin licht (of enige andere invloed) had kunnen oversteken. Dit is het ‘horizonprobleem’.
het bevat exact de juiste hoeveelheid massa en energie om de ruimte noch positief, noch negatief gekromd, maar ‘plat’ te maken. Volgens Einsteins relativiteitstheorie zorgt massa voor een kromming van de ruimte, maar die kan zowel positief als negatief zijn. Om het heelal als geheel kromming nul te geven – en we weten dat dit zo is – is vlak na de oerknal een balanceeract met massa en energie nodig die tot op 15 decimalen achter de komma moet kloppen. Dit is het ‘platheidsprobleem’.

Was het moeilijk om de inflatietheorie geaccepteerd te krijgen?

“Eigenlijk niet. In die tijd – rond 1980 – was het in de deeltjesfysica algemeen geaccepteerd om een nog onbekend veld met bijbehorende deeltjes te postuleren, bijvoorbeeld het Higgs-deeltje en het Higgs-veld, om te verklaren dat deeltjes massa hebben. In de kosmologie was dat idee toen nog nieuw, maar ook de meeste kosmologen omarmden het al snel.”

Behalve een inflatieveld, zijn er dus ook deeltjes die met dat veld samenhangen, de inflatons. Vliegen er nu nog steeds inflatons rond?

“Die inflatons zijn er niet meer, alle hedendaagse materie is het vervalproduct van inflatons. Inflatie wist alle sporen uit van wat er daarvoor was. Daarom hebben we geen idee hoe het heelal er uit zag voordat de inflatie optrad.”

De inflatietheorie beschrijft wat er gebeurde met het heelal in de eerste 0,00000000000000000000000000000000001 (10^-35) seconde na de oerknal. In die tijd werd het heelal 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (10²⁸) keer zo groot. Licht doet er duizend miljard keer langer over om een atoomkern over te steken dan de hele inflatie duurde. Wat geeft u het vertrouwen, dat zo’n onvoorstelbaar korte tijdsduur een zinnige betekenis heeft?

“Het is inderdaad een uitzinnige extrapolatie. De rechtvaardiging is, dat extrapolaties op dezelfde schaal eerder voorgekomen zijn. Ooit konden we niet nauwkeuriger meten wat er bij botsingen tussen elementaire deeltjes gebeurde dan, zeg, een miljardste seconde, maar onze theorieën voorspelden gebeurtenissen tot op 10^-23 seconde, en die zijn later door experimenten bevestigd. Het enige waarvan we weten dat het deze extrapolaties ongeldig maakt is het domein waar de zwaartekracht en de kwantumtheorie in elkaar overgaan, en we kunnen schatten waar dat gebeurt, pas bij 10^-43 seconde na de oerknal.”

De Inflatietheorie

In grote deeltjesversnellers kunnen we de omstandigheden nabootsen die een miljardste (10^-9) seconde na de oerknal in het heelal voorkwamen, en de kortst durende processen die we kunnen meten duren 10^-23 seconde. De inflatietheorie kijkt nog verder terug, tot aan 10^-38 seconde na de oerknal. Gewone materie en straling bestonden toen nog niet, is de hypothese, alle energie van het heelal zat in het zogeheten inflatonveld (te vergelijken met een magnetisch of elektrisch veld, maar onnoemelijk veel sterker). Daardoor bevond het heelal zich in een toestand van ‘vals vacuum’: hoewel de ruimte leeg lijkt, zit hij tjokvol energie. Deze toestand is instabiel, en zodra het vals vacuum spontaan vervalt tot een echt vacuum, gaat het heelal exponentieel uitdijen en ontstaan ook materie en straling. Dit is de inflatiefase, de ‘knal’ van de oerknal.

Deze exponentiële uitdijïng ging véél sneller dan de huidige uitdijïng; wat nu ons zichtbare heelal is, was toen een stukje ruimte kleiner dan een speldeknop, dat in 10^-35 seconde met minstens een factor 10²⁸ is uitgedijd. Toen het inflatonveld was verdwenen, begon pas de geleidelijke uitdijïng die we nu nog waarnemen. De inflatie van een klein stukje heelal, met een snelheid die effectief veel groter was dan de lichtsnelheid, lost zowel het horizonprobleem als het platheidsprobleem op. Tegenoverliggende delen van ons heelal zijn voor de inflatiefase wel degelijk met elkaar in contact geweest, en de uitrekking was zo extreem, dat elke kromming tijdens de inflatiefase is gladgetrokken.

Er is geen experimenteel bewijs dat het inflatonveld bestaan heeft, maar het volgt wel uit sommige Grand Unified Theories, speculatieve ideeën over hoe materie en energie zich gedragen bij een energie die nog veel hoger is dan we in onze grootste deeltjesversnellers kunnen maken.

Het team van BICEP-2, een telescoop op Antarctica, claimde in maart 2014 dat ze in de kosmische achtergrondstraling het signaal hadden gevonden van zwaartekrachtsgolven die dateren uit de periode van inflatie. Inmiddels staat wel bijna vast dat het signaal vals was, veroorzaakt door stof in onze eigen melkweg. Gelooft u nog in experimentele bevestiging van inflatie?

“Ik was uiteraard heel blij met het Bicep-2 resultaat in maart, en ik werd ook al van alle kanten gefeliciteerd, maar ik vermoedde meteen dat het misschien te mooi was om waar te zijn. Er zijn vele varianten van de inflatietheorie, en waarschijnlijk zul je die op grond van alleen experimentele resultaten nooit tot één kunnen terugbrengen. Maar de detectie van sterke zwaartekrachtsgolven zou het aantal mogelijkheden wel drastisch terugschroeven. Nieuwe waarnemingen met de Planck-satelliet kunnen misschien wel die zwaartekrachtsgolven aantonen.”

Zijn er nog concurrenten van de inflatietheorie, en wie is volgens u de belangrijkste?

“Er zijn wel wat alternatieve theorieën, maar die hebben elk maar een paar voorstanders. De belangrijkste is misschien het ekpyrotische heelal, een model waarin de oerknal telkens opnieuw plaatsvindt. Maar ik denk dat het onmogelijk is om een versie van het cyclische model te construeren die echt werkt zonder dat je een heleboel nieuwe fysica moet verzinnen. Er wordt wel gezegd dat kosmologen de inflatietheorie alleen maar accepteren omdat die ‘elegant’ is. Maar ik denk dat een sterker woord op zijn plaats is. Inflatie volgt rechtstreeks uit een voortzetting van de natuurkunde die we al kennen.”

Heeft u enig idee hoe de natuurwetten die u probeert te ontdekken tot stand gekomen zijn?

Guth glimlacht sardonisch: “Nee. Af en toe proberen ze me wel te verstrikken in van die filosofische discussies, maar mijn standpunt is: ik heb geen idee waar de natuurwetten vandaan komen.”

Welke nieuwe ideeën in verband met inflatie werkt u nu aan?

“Ik werk momenteel aan een gedetailleerd model van hybride inflatie dat al bij de oerknal zwarte gaten produceert. Dit zouden de superzware zwarte gaten kunnen zijn die we in het centrum van sterrenstelsels aantreffen.’ Astronomen gaan er tegenwoordig van uit, dat elk sterrenstelsel een superzwaar zwart gat (van miljoenen tot miljarden zonsmassa’s) in zijn centrum heeft, waar het hele stelsel omheen draait. Maar er is geen goed scenario hoe die zwarte gaten zijn ontstaan en relatief snel zo zwaar geworden zijn.”

‘Gelukkig zei Andrei Linde er niet bij welk tegenbewijs voor het multiversum nodig was, toen hij zijn leven eronder verwedde dat het bestond.’
Arnout Jaspers

Als ze al tijdens de inflatie zijn ontstaan, levert dat dan een toetsbare voorspelling op?

“Inderdaad, dat kan een voorspelling opleveren over hoeveel van die zwarte gaten er zijn en in welke formaten. Ik ben nu bezig met berekeningen om te zien hoe goed dat uitpakt. Een ander onderwerp waar ik aan werk heeft te maken met ‘eeuwigdurende inflatie’. Het probleem is, hoe je in een oneindig universum kansen moet definiëren. Immers, alles wat kan gebeuren in een oneindig heelal zal ook oneindig vaak gebeuren. Dan is het moeilijk om onderscheid te maken tussen iets wat heel gewoon is, en iets wat zeldzaam is. Dat is een harde noot om te kraken. Als eeuwigdurende inflatie echt bestaat, leven wij in een multiversum. Ons zichtbare heelal is in die optiek slechts één zeepbelletje in een oneindig, eeuwig schuimend kosmisch sop. Inflatie creëert dan telkens – ook nu nog – uit minuscule stukjes ruimte buiten ons heelal nieuwe zeepbellen, elk een nieuw heelal waar de natuurwetten heel anders kunnen zijn. Maar daar zullen wij nooit iets van te weten komen. De Rus Andrei Linde ontwikkelde de theorie van de eeuwigdurende inflatie kort nadat Guth met zijn inflatietheorie kwam.”

Moeten we dit nu echt geloven? En wat maakt het eigenlijk uit of je zoiets gelooft of niet?

Guth gaf het antwoord aan het slot van zijn lezing, toen hij terugkeek op een discussie over deze metafysische vraag. “De beroemde astronoom Martin Rees zei bij die gelegenheid, dat hij genoeg vertrouwen had in het werkelijk bestaan van het multiversum om er het leven van zijn hond onder te verwedden. Andrei Linde antwoordde, dat hij er zoveel vertrouwen in had dat hij zijn eigen leven eronder zou verwedden. Waarop Nobelprijswinnaar Steven Weinberg besloot: ‘Ik heb net genoeg vertrouwen in het multiversum om zowel de levens van Andrei Linde als Martin Rees’ hond eronder te verwedden.’”