Krauss, Lawrence – Universum uit het niets

Nieuw Amsterdam,236 pagina´s

Lawrence Krauss is natuurkundige en kosmoloog en heeft met zijn Universum uit het niets een boek geschreven dat even spectaculair is als destijds The origin of species van Charles Darwin. Zelden heb ik zo’n fascinerend boek gelezen, ook al is het merendeel hiervan voor mij als niet-natuurkundige niet of nauwelijks te doorgronden. Wat hem drijft is wat vele andere wetenschappers drijft: het willen weten hoe; niet de waaromvraag. Krauss stelt dan ook dat moeilijke vragen vermijden door een beroep te doen op ‘God’ gewoon intellectuele luiheid is. Een dergelijke zin plus het nawoord van Richard Dawkins is voor velen al genoeg om niet eens aan dit boek te beginnen, waarmee de luiheid dan gekwadrateerd is. Laat ik proberen aan te geven hoe zo’n deels onbegrijpelijk boek toch buitengewoon fascinerend kan zijn. Het onbegrijpelijke ervan zit hem in mijn ontoereikende kennis van de natuurkunde, de kwantumtheorie, de sterrenkunde, de kosmologie. Zelfs als populair wetenschappelijk auteur brengt Krauss vele zaken te berde die voor mij te hoog gegrepen zijn. En toch leest het boek als een thriller!

Het uitgangspunt van wetenschap bedrijven is drieledig, aldus Krauss: volg het bewijs, welke kant het ook opgaat; wees bereid de theorie niet alleen te bewijzen maar ook te ontkrachten; laat in experimenten zien dat je theorie valide is. Grappig om te lezen dat het een priester was, Lemaître, die aantoonde dat de theorie van Einstein leidde tot een niet-statisch maar een uitdijend heelal, iets wat Einstein maar moeilijk kon accepteren. Sterker nog, Lemaître stelde zelfs dat het universum was ontstaan op een dag zonder gisteren hetgeen aanvankelijk voor de paus aanleiding was om die positie te reserveren voor God, de onbewogen beweger. Later koos de Kerk ervoor ver weg te blijven van zulke claims, want stel je voor dat Lemaître het bij het verkeerde eind zou blijken te hebben.

Het was Hubble die aantoonde dat er veel meer melkwegstelsels dan het onze bestonden door ons te wijzen op de Andromedanevel. Nu weten we dat er honderden miljarden melkwegstelsels bestaan in ons heelal. Welnu, de empirische wet van Hubble leert ons dat sterrenstelsels sneller van ons vandaan bewegen naarmate ze verder van ons verwijderd zijn. Waar de snelheid van het licht de maximaal haalbare snelheid zijn binnen de grenzen van ons heelal, het heelal zelf zal een moment bereiken dat het uitdijt met een snelheid groter dan die van het licht! Ik kom daar verderop op terug. Maar eerst naar het begin. Er is inmiddels meer dan voldoende bewijs voor de oerknal, die nog nagalmt in het kosmische achtergrondstraling. Krauss: “Alleen een hete oerknal is in staat om de waargenomen abondantie van lichte elementen (waterstof, deuterium, helium en lithium) te produceren en de waargenomen uitdijing van het heelal te veroorzaken”.

Zwaardere elementen zoals zuurstof en stikstof zijn niet tijdens de oerknal gevormd maar later in de vurige kernen van sterren en doordat die sterren op enig moment ontploften, kwamen die elementen terecht op planeten en uiteindelijk in ons lichaam. Wij, de soort mens en al het andere leven op aarde, is ontstaan doordat er in ons melkwegstelsel zo’n tweehonderdmiljoen sterren zijn ontploft. De sterren zijn onze schepper! De aarde is bijna 5 miljard jaar oud en ons heelal heeft een vrij nauwkeurig berekende leeftijd van 13,72 miljard jaar. We kunnen deze leeftijden meten dankzij het verschijnsel supernova, de standaardkaars van de kosmologie.

Dankzij Vera Rubin weten we dat er veel meer massa in het heelal is dan we waar kunnen nemen, de zogeheten donkere materie, andere deeltjes dan protonen en neutronen. We zijn veel te weten gekomen over deze donkere materie door de zwaartekrachtlenswerking, de lenswerking van een voorgrondster op een verre achtergrondster, waardoor we waarnemingen kunnen doen die zonder deze lenswerking eenvoudigweg niet haalbaar zouden zijn geweest. Men is er nu van overtuigd dat die donkere materie bestaat uit spul dat niet van sterren afkomstig is.

Hierboven memoreerde ik al dat “de kosmische achtergrondstraling niets minder dan de nagloeiing van de oerknal is. Dankzij deze achtergrondstraling kunnen we terugkijken naar een zeer jong heelal, waaruit alle structuren die we nu waarnemen zijn voortgekomen”. We weten sinds Dirac dat virtuele deeltjes bestaan en die deeltjes nemen het leeuwendeel van de rustenergie en de rustmassa van het proton voor hun rekening. Ook weten we dat het heelal uitdijt, de zogeheten Hubbleconstante, en dat ons heelal vlak is, niet open of gesloten. Van de bestaande materie kennen wij slechts 1% en er is donkere energie die constant lijkt te zijn in de tijd. We weten niet waar die donkere materie vandaan komt terwijl die donkere energie vermoedelijk een belangrijke rol speelt in de toekomst van ons heelal.

Dan betreden we de moeilijker passages in dit boek, waarin het niets centraal staat. Lege ruimte, waarin ons heelal uitdijt, waaruit het universum ontstond. Het niets dat een instabiele toestand vertegenwoordigt waar per definitie iets uit moet ontstaan. Deze ‘materie’ is moeilijk te doorgronden zonder kennis van natuurkunde en kosmologie. We leerden reeds dat het heelal steeds sneller uitdijt, spoedig met een snelheid hoger dan die van het licht. Het heelal wordt dus steeds leger, steeds donkerder en steeds kouder. Kosmologen hebben berekend dat die situatie nog wel twee biljoen jaar op zich laat wachten maar het gaat gebeuren en de consequenties zijn ontzagwekkend.

In de tussentijd zullen onze sterrenstelsels als gevolg van de zwaartekracht samenklonteren(over vijf miljard jaar sluit de Andromedanevel zich bij ons aan) maar door het uitdijende heelal zal die samenklontering steeds meer een geïsoleerd eiland in het universum worden, omringd door steeds legere en donkerder ruimte. Tot het moment ontstaat dat de ons omringende materie die we nu nog kunnen waarnemen, zich van ons zo ver verwijderd heeft dat we die niet langer kunnen waarnemen. Vanaf dat moment zullen onze sterrenstelsels zich inderdaad in een statisch heelal bevinden waar de oerknal niet meer kan worden waargenomen of bewezen!

Dan komen we aan bij het multiversum. Krauss: “Als er om de een of andere reden heel veel heelallen bestaan, en de energie van de lege ruimte in elk heelal een willekeurige waarde heeft aangenomen, zal zich alleen in die heelallen waarin de waarde niet al te zeer afwijkt van wat wij meten leven kunnen ontwikkelen. Dus misschien bevinden we ons wel in een heelal waarin de lege ruimte weinig energie heeft omdat we niet zouden bestaan als de waarde veel groter was geweest. Anders gezegd: het is niet erg verrassend dat we in een leefbaar heelal leven!” Hoe het ook zij, alles wijst erop dat ons heelal niet uniek is. Q.e.d.

Om iets meer grip te krijgen op het inflatiemodel, ben ik te rade gegaan bij Joppe van Driel, die in zijn thesis Kosmologische inﬂatie: observeren van opgeblazen quantum ﬂuctuaties hierover opmerkt: “Het huidige standaardparadigma in de kosmologie is de theorie van kosmische inﬂatie. Het inﬂatiemodel gaat ervan uit dat het vroege heelal een extreem korte periode van exponentiële expansie heeft doorgemaakt. In slechts 10⁻³⁵ seconden is de ruimte een factor 10³⁰ of meer geëxpandeerd. Door een dergelijk scenario te introduceren kan zowel het horizon als vlakheidsprobleem van het standaard oerknal model opgelost worden.

Het horizon probleem is het probleem van de uniformiteit van de kosmische achtergrondstraling. De kosmische achtergrondstraling die van tegenovergestelde richtingen op de aarde afkomt, is afkomstig van gebieden in het heelal die niet met elkaar in causaal contact staan. Toch heeft alle kosmische achtergrondstraling dezelfde temperatuur. Volgens het inﬂatiemodel kunnen deze gebieden in het heelal voor de periode van inﬂatie een thermisch evenwicht bereikt hebben. Tijdens inﬂatie kunnen gebieden – die voorheen nog met elkaar in causaal contact stonden – uit elkaars horizon komen te liggen. Op deze manier kan de uniformiteit van de kosmische achtergrondstraling verklaard worden. Inﬂatie lost ook het vlakheidsprobleem op. Observaties van de energiedistributie in het heelal op grote schaal laten zien dat ons heelal nagenoeg vlak is. Volgens het standaard oerknal model moet de energiedichtheid in het heelal precies op de kritische waarde liggen om dit mogelijk te maken. Zelfs de kleinste afwijking van de kritische dichtheid in het vroege heelal, zou tot een substantiële kromming moeten leiden. In het inﬂatiemodel bestaat dit probleem van precieze afstemming niet. Een exponentiële expansie van de ruimte zorgt ervoor dat alle afwijkingen van de kritische dichtheid kleiner worden. Inﬂatie maakt een gekromd heelal ‘vlakker’.”

Krauss stelt dat als inflatie eeuwig is, dit onvermijdelijk een multiversum tot gevolg heeft. En hij voegt eraan toe dat hij eeuwige inflatie als de meest waarschijnlijke mogelijkheid beschouwt. Ik voel me al heel wat beter wanneer Kraus aangeeft dat de kosmologie maar één volkomen onbegrijpelijke grootheid heeft opgeleverd: de energie van lege ruimte, waar we bijna niets van snappen. En hij voegt er samenvattend aan toe: : We begrijpen de aard van de kosmische uitdijing vanaf de eerste microseconden na de oerknal en hebben ontdekt dat er honderden miljarden sterrenstelsels zijn, die uit honderden miljarden sterren bestaan. We hebben vastgesteld dat 99% van het heelal onzichtbaar is voor ons, en is opgebouwd uit donkere materie die hoogstwaarschijnlijk uit nog onbekende elementaire deeltjes bestaat, en in nog grotere mate uit donkere energie, waarvan de herkomst vooralsnog een compleet raadsel is”. Nu lijkt de wetenschap te moeten accepteren dat de natuurkunde een soort omgevingswetenschap is, namelijk een wetenschap die tot natuurwetten komt die toevalligerwijs alleen gelden voor ons universum, een universum temidden van ontelbare andere universums waar geheel andere wetten van kracht kunnen en zullen zijn.

Hoe het ook zij, de theologie heeft sinds de dageraad van de wetenschap niets aan onze kennis bijgedragen, stelt Krauss. We kunnen de evolutie terug volgen tot aan de oerknal zonder dat we een beroep op iets anders dan de natuurkunde hoeven te doen. Er mag dan nog veel zijn dat we niet weten of begrijpen maar er is geen enkele aanleiding tot een God-van-de-gaten, ook dat concept is niets anders dan intellectuele luiheid. Krauss vat zijn langdurige studie van de kosmos nog eens samen: “de waarneming dat het heelal vlak is, en de lokale Newtoniaanse zwaartekrachtsenergie zo goed als nul, wijst er sterk op dat ons heelal is voortgekomen uit een inflatie-achtig proces – een proces waarbij de energie van de lege ruimte (‘niets’), tijdens een periode waarin het heelal op elke waarneembare schaal steeds vlakker wordt, wordt omgezet in de energie van ‘iets’.

De gedachte aan een steeds leger, stiller, donkerder en kouder heelal mag ons dan niet aangenaam voorkomen, onze reis – stelt Krauss – waarheen zij ook voert, is een beloning op zich. En daar kan ik mij geheel in vinden. De menselijke soort heeft een ongekende inspanning geleverd door het vermogen binnen enkele eeuwen een groot deel van de ons omringende mysteriën te ontrafelen. Hoe groot dat deel is weten we niet. Het is ontzagwekkend en nietig tegelijk. Voor waaromvragen bestaat feitelijk geen aanleiding. Analoog aan de wrede natuur hier op aarde, die geen onderscheid tussen kruid en onkruid, tussen gedierte en ongedierte kent, analoog aan de natuur die niet discrimineert en zich van nut of zin niets aantrekt, voltrekt ook de levenscyclus van ons universum zich volgens wetmatigheden die met waarden niets van doen hebben. De rol die de menselijke soort in dit alles speelt is nagenoeg verwaarloosbaar. Als het leeg en stil om ons heen is geworden, zijn al onze sporen uitgewist om nooit meer teruggevonden te worden. Al ons aards geploeter was vergeefs en zonder zin of nut, afhankelijk van het kader dat we kiezen. De mens is en blijft op zichzelf teruggeworpen. Daar moeten we het mee doen.

Geraadpleegde externe bron: Kosmologische inﬂatie: observeren van opgeblazen quantum ﬂuctuaties door Joppe van Driel 26 augustus 2007http://www.science.uva.nl/onderwijs/thesis/centraal/files/f2031250744.pdf

Enno Nuy