Je leest:

Via de kosmologie naar snaartheorie

Via de kosmologie naar snaartheorie

Auteur: | 11 december 2008

Theoretisch fysicus Jan Pieter van der Schaar gebruikt theorieën die het grootste moeten verklaren om inzicht te krijgen in het allerkleinste. Met behulp van kosmologie zoekt hij naar bewijs voor de snaartheorie.

Al op dertienjarige leeftijd raakt Van der Schaar geïnteresseerd in sterrenkunde. Avonden lang tuurt hij in de tuin met zijn telescoop naar de hemel. Hij besluit theoretische natuurkunde te studeren. ‘De appel die van de boom valt, wordt beschreven met dezelfde theorie als de aarde die om de zon draait’, zegt Van der Schaar. ‘Dat idee, dat er heel universele wetten bestaan die je op het heelal als geheel maar ook in de nabijheid van je huis toe kunt passen, de enorme reikwijdte van die theorieën sprak me heel erg aan.’

Die reikwijdte blijft Van der Schaars nieuwsgierigheid prikkelen. Het is het dan ook niet verwonderlijk dat hij in het snaartheoretisch onderzoek terechtkomt. Snaartheorie is een poging alle fundamentele natuurkrachten samen te brengen. Er bestaan verschillende natuurkundige theorieën die ieder op hun eigen schaal voor verschillende situaties goed toepasbaar zijn. Zo gebruiken we in het dagelijks leven de zwaartekracht en beschrijft de kwantummechanica de natuur op zeer kleine schaal. Snaartheorie probeert deze theorieën samen te voegen en één mechanisme te vinden dat de zwaartekracht ook op zeer kleine schaal beschrijft: kwantumgravitatie.

In de snaartheorie worden de deeltjes waar alles om ons heen uit is opgebouwd niet gezien als kleine puntjes, maar als trillende snaartjes. En met een harder trillend snaartje beschrijf je een deeltje met een hogere massa. Het klinkt simpel, maar er is wel een probleem: de snaartjes zijn zo ongelooflijk klein dat we ze met de sterkste microscoop ter wereld nog niet zouden kunnen zien. De snaartheorie is niet te toetsen.

Jan Pieter van der Schaar Foto: Bob Bronshoff / UvA

Uitdijen

Na zijn promotie in Groningen doet Van der Schaar postdoctoraal onderzoek in Amerika en Zwitserland. ‘Ik ging mijn eigen onderzoekslijnen uitzetten’, vertelt Van der Schaar. ‘Ik wilde nadenken over wat snaartheorie te zeggen heeft over kosmologie.’ Kosmologie beschrijft de evolutie van het heelal. Astronomische waarnemingen laten zien dat het heelal aan het uitdijen is: we zien sterrenstelsels op grote afstand van ons af bewegen. Terugredenerend leidt dit tot de huidige, geaccepteerde theorie dat het heelal vroeger veel kleiner was, en dat het zo’n 13,7 miljard jaar geleden is ontstaan tijdens een grote knal, de oerknal.

Van der Schaar is vooral geïnteresseerd in de eerste momenten vlak na die oerknal. ‘Het leuke aan kosmologie is dat je het kunt zien als de beste microscoop die we hebben. In een deeltjesversneller kun je deeltjes heel hard op elkaar botsen en zo iets leren over de substructuur. De deeltjesversneller werkt als microscoop, hij laat zien waar de deeltjes uit zijn opgebouwd.’ Hoe hoger de energie waarmee de deeltjes in de deeltjesversneller op elkaar worden afgevuurd, hoe kleiner de structuren die zichtbaar worden, oftewel hoe sterker de microscoop.

‘De versneller die binnenkort in Zwitserland van start gaat, haalt heel hoge energieën. Maar het stelt eigenlijk niets voor als je het vergelijkt met het vroege heelal. Naarmate je dichter bij de oorsprong van het heelal komt, zo’n 13,7 miljard jaar geleden, worden de afstanden kleiner en de energieën steeds groter. Voor energieën vergelijkbaar met de zogenaamde Planckschaal wordt gravitatie net zo belangrijk als de andere fundamentele krachten en verwacht men dat kwantum zwaartekracht effecten een belangrijke rol gaan spelen. En snaartheorie heeft het probleem dat het juist op die gigantisch kleine lengteschalen zijn ware gezicht laat zien. Dat is dus ook al jarenlang een van de belangrijkste kritiekpunten: het is allemaal wel leuk, maar hoe gaan we dat ooit toetsen?’

Het antwoord op die vraag is een van Van der Schaars grote uitdagingen. ‘Vlak na de oerknal was het heelal verschrikkelijk klein en de dichtheid zo ontzettend hoog dat zowel gravitatie als kwantummechanica belangrijk waren. Snaartheorie is een voorstel om deze theorieën te verenigen en beschrijft als klap op de vuurpijl ook alle andere krachten en deeltjes.’ Als snaartheorie in dat hele prille begin inderdaad belangrijk was, dan zou dat effect gehad kunnen hebben op alles wat daarna gebeurd is.

Planckschaal

De Plancklengte is een zeer kleine lengteschaal (1.6 × 10-35 meter, ongeveer één honderdste van een miljoenste van een miljardste van een miljardste meter). Een atoom is al klein, maar de Plancklengte verhoudt zich tot de grootte van het atoom als de mens ten opzichte van de grootte van het (zichtbare) heelal. Fysici zetten de Plancklengte met behulp van de lichtsnelheid om in een extreem kleine tijdschaal. Die Plancktijdschaal kan vervolgens met behulp van het kwantummechanische onzekerheidsprincipe omgezet worden in een zeer grote energieschaal. Deze Planckenergieschaal komt ongeveer overeen met de energie die vrijkomt tijdens bliksem.

Men verwacht dat op de Plancklengteschaal bepaalde klassieke eigenschappen van de ruimte en tijd fundamenteel van karakter veranderen. In plaats van een gladde en continue ruimte-tijd structuur die voldoet aan de klassieke vergelijkingen van Einstein, krijg je dan te maken met een ruimte-tijd die wild fluctueert. Een ruimte waar je niet meer kunt spreken van een goed gedefinieerde afstand tussen twee punten. Dit is het regime waar een theorie van kwantum gravitatie noodzakelijk is. ________________________________________________________________

Nagloeier

Van der Schaar zoekt naar dit mogelijke effect in de kosmische achtergrondstraling, de nagloeier van de oerknal. ‘Vlak na de oerknal was er een hele hete fase, waarin een plasma bestond van geladen deeltjes. Daarin stuiterden de lichtdeeltjes – fotonen – als in een flipperkast heen en weer. Want zodra een foton een geladen deeltje tegenkomt, verandert het van richting.’ Aangezien alles in het plasma geladen was konden de fotonen nooit ver reizen. Maar het heelal zette verder uit en koelde daardoor af. Elektronen raakten gebonden aan protonen en zo ontstonden neutrale deeltjes: atomen. Vanaf dat moment werd het licht, de fotonen, niet langer verstrooid. Het heelal werd doorzichtig en de fotonen konden ongehinderd reizen. ‘Dus je had een hele hete fase, en op een gegeven moment ging het licht aan. En dat moment, dat zien we nog steeds, dat is de kosmische achtergrondstraling.’

Op het moment dat het licht vrij kwam, was het bijzonder heet in het heelal, de fotonen hadden een hoge energie. Maar door de expansie van het heelal zijn de golflengtes uitgerekt en is de energie van de fotonen afgenomen. Het licht dat wij nu nog steeds van deze fase in de evolutie van het heelal ontvangen, koelde enorm af, van drieduizend graden tot 2,7 graden. En terwijl sterlicht uit een bepaalde richting komt, ontvangen we de kosmische achtergrondstraling van alle richtingen aan de hemel. Zelfs op een gewone televisie is deze achtergrondstraling zichtbaar; één procent van de ruis op de tv is afkomstig van het vroege heelal. ‘Het is consistent met berekeningen die theoretici hebben gedaan waarin het heelal in het verleden veel heter en kleiner en dichter was. Kortom, het oerknal-idee is met deze achtergrondstraling min of meer bewezen.’

De kosmische achtergrondstraling die in het heelal wordt gemeten is een overblijfsel van de oerknal. Illustratie: NASA /WMAP. Klik voor een grotere versie.

Rimpelingen

‘Als je nu heel goed kijkt zit in de kosmische achtergrondstraling ontzettend veel informatie verborgen’, zegt Van der Schaar. In het hete plasma zaten subtiele temperatuurvariaties ten gevolge van kleine variaties in de dichtheid, die nog steeds zichtbaar zijn in de achtergrondstraling. Deze minieme verschillen in de oorspronkelijke materieverdeling konden in de loop van miljarden jaren uitgroeien tot hele sterrenstelsels. ‘En ik heb het echt over minieme verschillen. Op een zwembad van een paar meter diep slechts rimpelingen van een honderdste millimeter. Maar ze zijn te meten en zeggen iets over de dichtheidsverdeling van het plasma, driehonderdduizend jaar na de big bang.’

Er bestaat een model om de kleine dichtheidsverschillen in het plasma te verklaren: inflatie. Inflatie is een periode vlak na de oerknal waarin het heelal versneld uitdijde. ‘In een periode van ruwweg tien tot de macht min dertig seconden, dus in een belachelijke korte tijd, werd het ongeveer een factor tien tot de macht dertig keer groter. Dat is niet voor te stellen!’, zegt Van der Schaar enthousiast. ‘De kwantummechanica voorspelt dat er voortdurend deeltjes gecreëerd worden. Normaal gesproken verdwijnen die meteen weer: deeltje en antideeltje komen elkaar tegen en ze annihileren, ze vernietigen elkaar. Maar gedurende de fase van inflatie raakten de deeltjes in korte tijd zo ver uit elkaar dat ze elkaar niet meer terug konden vinden. Met als gevolg dat de deeltjesverdeling niet meer exact homogeen was.’

Er ontstonden kleine dichtheidsverschillen in het plasma, die dankzij de zwaartekracht langzaam konden groeien. Tegelijkertijd speelde ook stralingsdruk een rol. De fotonen opgesloten in de clusters veroorzaakten druk in tegengestelde richting. ‘De materie krimpt tot de stralingsdruk te groot wordt, dan dijt hij uit en vervolgens krimpt hij weer. Zo krijg je ’akoestische’ oscillaties in het plasma.’ Van der Schaar beeldt met zijn handen de oscillerende beweging van het plasma uit. ‘De oerfluctuaties uit de inflatie zijn bewerkt door de akoestische oscillaties van het plasma. En die zijn zichtbaar in de kosmische achtergrondstraling. Om de oerfluctuaties terug te zien, moet je de achtergrondstraling dus nog ontdoen van de akoestische oscillaties. En uit die oerfluctuaties kunnen wij heel veel informatie halen.’

Alle vaste stoffen (1) bestaan uit moleculen (2), die op hun beurt uit atomen (3) zijn opgebouwd. In een atoom vliegt een wolk elektronen (4) om de kern heen, en die kern bestaat uit twee soorten deeltjes: protonen en neutronen. De kerndeeltjes zijn opgebouwd uit quarks (5). Zowel quarks als elektronen zijn elementaire deeltjes, en bestaan volgens de snaartheorie uit een enkel snaartje (6) dat kan trillen en al dan niet rond loopt. Illustratie: Wikimedia Commons

Belvormige curve

De achtergrondstraling geeft Van der Schaar inzicht in de geometrie van het heelal, maar belangrijker, mogelijk zegt het ook iets over de snaartheorie. Wanneer je van alle gebiedjes aan de hemel de afwijking tot de gemiddelde achtergrondstraling uitzet in een grafiek krijg je een symmetrische belvormige curve, ook wel een Gaussische verdeling genoemd. ‘Sommige modellen uit de snaartheorie voorspellen dat deze grafiek niet helemaal Gaussisch moet zijn. Er zouden dan bijvoorbeeld iets meer koudere dan warmere gebiedjes moeten zijn. Het is echt een heel miniem effect, maar de kans bestaat dat dit in de toekomst gemeten gaat worden.’

Volgend jaar wordt de Plancksatelliet gelanceerd die de achtergrondstraling veel nauwkeuriger gaat meten. ‘We zijn ons aan het voorbereiden op die data. Het zou een revolutie zijn als we daarin niet-Gaussissche effecten zien.’ Het is niet zo dat de data de hele snaartheorie kan ontkrachten of bewijzen. Wel is er een hele klasse modellen die geen niet-Gaussische effecten voorspelt, en die dankzij de meting dus mogelijk direct gefalsificeerd zijn. ‘Hoe nauwkeuriger we de achtergrondstraling kunnen meten, hoe selectiever we zijn in het identificeren van een bepaald model van inflatie, en dat kan aanwijzingen geven of we met snaartheorie te maken hebben of niet. Dit is een van de belangrijkste dingen die ik nu doe.’

Naast zijn werk om het heelal te verklaren met behulp van snaartheorie om daarmee meteen aan te tonen dat snaartheorie inderdaad dé theorie is die alle natuurverschijnselen beschrijft, houdt Van der Schaar zich bezig met onderwerpen die hij omschrijft als echte harde snaartheorie. ‘Onderwerpen die betrekking hebben tot de structuur van de theorie zèlf.’ Schoorvoetend geeft hij toe: ‘Maar dat is pas echt lastig uit te leggen aan het algemene publiek.’

Meer informatie…

Dit artikel is een publicatie van Universiteit van Amsterdam (UvA).
© Universiteit van Amsterdam (UvA), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 december 2008

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.