22 DECEMBER 2001 NRC

Oerknallen bij de vleet

Dirk van Delft

ASTRONOMER ROYAL MARTIN REES GELOOFT IN HET MULTIVERSUM

Ons heelal heeft er 14 miljard jaar over gedaan om de mens voort te brengen. Was het samenspel der natuurwetten iets anders geweest, dan was het zover niet gekomen. Toeval? Voorzienigheid? Nee, zegt de Britse astronoom Martin Rees. `We leven in een multiversum.'

`HET GROOTSTE mysterie is natuurlijk waarom er iets is en niet niets'', zegt de astronoom Sir Martin Rees. ``Wat blies de natuurwetten leven in en deed ze de regie voeren over een echte kosmos? Het zijn metafysische kwesties die natuurwetenschappers volgaarne aan filosofen en theologen laten. Onze taak is te begrijpen hoe de geboorte van het heelal, een proces dat zich simpel laat beschrijven, 14 miljard jaar later de complexe kosmos heeft kunnen opleveren waarvan wij deel uitmaken. Is dit een natuurlijk proces of moeten we ons verbazen? Einstein vroeg zich af of God het heelal anders had kunnen maken. Zelf meende hij van niet, maar stel dat het wel zo is. Stel dat we een fundamentele theorie vinden die niet één recept voor een heelal oplevert, maar een heleboel. In dat geval is ons heelal niet meer dan een piepklein onderdeel van een gevarieerde en oneindig grote verzameling heelallen: het multiversum. Die voorstelling van zaken is geen pure speculatie maar een iets waar de empirische wetenschap mee aan de slag kan.'

Rees, hoogleraar te Cambridge en Astronomer Royal van Groot-Brittannië, is een begenadigd popularisator. Klein van gestalte, de rug iets gebogen, weet de frêle astronoom als geen ander een breed publiek met zijn voordrachten te vangen. Zijn nieuwste boek, Our Cosmic Habitat, is de weerslag van de eerste reeks Scribner Lectures die Princeton University dit jaar organiseerde. In dat belangwekkende en helder geschreven boek stelt Rees zich de ultieme vraag: Waarom zijn we hier? Waarom heeft het heelal precies die eigenschappen die ons bestaan mogelijk maken? Puur toeval? De hand van de schepper? Rees kan er moeilijk in geloven en zijn tocht langs de raadsels waarmee kosmologen worstelen, zoals de donkere materie (waarachter het merendeel van de massa in het heelal schuilgaat) en de vacuümenergie (die het heelal versneld doet uitdijen), mondt uit in een warm pleidooi voor een multiversum. Ons heelal is niet uniek, oerknallen zijn er bij de vleet, elk met aparte eigenschappen, en een daarvan heeft ons voortgebracht. Al die heelallen maken deel uit van een hogerdimensionaal multiversum.

gecharmeerd

``Natuurlijk is het idee van een multiversum speculatie'', zegt Rees in een zaaltje in het Leidse Gorlaeuslaboratorium, waar hij gastspreker is op het afscheidssymposium van collega-astronoom Harry van der Laan. ``En het is van groot belang dat je in je redenering precies aangeeft waar je met harde feiten werkt en waar met speculatie. Iemand als Stephen Hawking houdt die zaken niet strikt gescheiden en de kritiek daarop is terecht. Maar met speculeren op zichzelf is niets mis zolang het maar speculatieve wetenschap is en geen metafysica, en je waarschuwt wanneer je eraan begint. Veel wetenschappers tonen zich weinig gecharmeerd van het idee van een multiversum. Maar waarom zou je het niet een kans geven om te zien hoe het uitpakt? Misschien vinden we een overkoepelende theorie die zegt dat het heelal moet zijn zoals het is, misschien zijn er een heleboel soorten oerknallen mogelijk, leidend tot heelallen met uiteenlopende natuurwetten. Zo lang dat geen uitgemaakte zaak is, en er argumenten zijn aan te dragen die voor het multiversum pleiten, neem ik het idee als wetenschapper zeer serieus.''

Martin Rees staat niet alleen. Eind augustus hield hij in zijn huis in Cambridge een conferentie waarop dertig fysici en kosmologen, onder wie Frank Wilczek, Stephen Hawking en Brandon Carter, zich over het multiversum en aanverwante zaken het hoofd braken. Carter muntte in 1974 de term `antropisch principe'. In de zwakke variant stelt het antropisch principe dat de natuurwetten (zoals Newtons gravitatiewet) en de natuurconstanten (zoals de lichtsnelheid) een gegeven zijn dat beperkingen oplegt aan waar en wanneer de mens zich in het heelal kan ophouden. Zo zijn zwaardere elementen als koolstof en ijzer, bouwstenen van het leven, gevormd tijdens het opbranden (kernfusie) van de eerste generaties sterren. Dat is een proces van vele miljarden jaren, zodat een heelal waarin wij figureren vanzelf erg groot moet zijn. Aan de andere kant mag het heelal ook weer niet te oud zijn, omdat dan alle sterren opgebrand raken en in een doodse en donkere kosmos is geen plaats voor de mens.

niet toevallig



Het universum is zo groot als het is, zo zegt het zwakke antropisch principe, omdat wij er anders niet geweest zouden zijn om het waar te nemen. Langs dezelfde lijn zijn meer eisen te formuleren. Bijvoorbeeld de aanwezigheid van een geschikte ster met een planeet in een cirkelbaan, op zo'n afstand dat het aanwezige water niet kookt of bevriest. Overigens is het opvallend dat er ongeveer net zoveel atomen in een mens passen als mensen in een ster. Rees: ``Halverwege atomen en sterren, zaken waar fysici goed mee uit de voeten kunnen, zit, in een gebied waar de complexiteit het grootst is, niet toevallig de mens.''

Is het zwakke antropisch principe onschuldig, anders ligt het met de sterke variant. Dat zegt dat onze aanwezigheid alleen mogelijk is als de natuurwetten en -constanten zijn zoals ze zijn, met een minieme speling. Rees: ``Het zeer jonge heelal moet ongelijkmatig geweest zijn, anders hadden we nu alleen ijl waterstof en helium gehad, minder dan één atoom per kubieke meter. De omvang van die onregelmatigheden luistert nauw. Had de oerknal een gladder heelal opgeleverd, dan zouden galactische `ecosystemen' nooit hebben kunnen ontstaan. En bij meer `klonten' was er een turbulent en gewelddadig heelal gekomen waarin kort na de oerknal enorme klompen materie zouden zijn ontstaan die, in plaats van in afzonderlijke sterren uiteen te vallen, in elkaar zouden klappen tot kolossale zwarte gaten geen omgeving waar mensen gedijen. En zelfs al zouden er sterrenstelsels ontstaan zijn, dan zouden de sterren zo op elkaar gepakt zitten dat een planetenstelsel direct weggescheurd zou worden door een passerende ster.''

De zwaartekracht is de bepalende factor voor de structuren in het heelal. Rees: ``Was die op atomaire schaal niet zo enorm klein geweest, dan had een interessant heeIal tot de onmogelijkheden behoord. Sterren zouden kleiner zijn en een kortere levensduur hebben. Een grotere zwaartekracht daarentegen zou alles groter dan een insect vermorzeld hebben en iedere tijd voor een complexe evolutie zou ontbreken.''

Zo zijn er nog meer `knoppen' die goed moeten staan wil de mens op het toneel kunnen verschijnen. De vacuümenergie die de ruimte doet uitdijen moet zo klein zijn dat de zwaartekracht de kans krijgt interessante structuren in het leven te roepen. Verder is er de eis dat de natuurwetten een zekere asymmetrie bezitten om te bewerkstelligen dat er een voldoende overschot aan materie boven antimaterie ontstaat om aan een interessant aantal atomen te komen. En ook op microniveau luistert het nauw. De kernfusie die de sterren doet schijnen hangt af van de balans tussen de elektrische kracht waarmee protonen elkaar afstoten en de sterke wisselwerking die ze bijeen houdt. Een iets ander evenwicht beperkt het periodiek systeem der elementen tot waterstof, of maakt atomaire waterstof juist onmogelijk.


Moeten we ons over deze fine tuning verbazen? Rees: ``Er zijn er die stellen dat indien de natuurwetten een oninteressant heelal hadden opgeleverd, wij er niet geweest zouden zijn. Omdat we er wél zijn, luidt de redenering, is er niets om ons over te verbazen. Die reactie vind ik te gemakkelijk. Graag mag ik een metafoor van de Canadese filosoof John Leslie aanhalen. Stel, zo zei deze, dat je voor een vuurpeloton staat. Je ziet vijftig geweren op je gericht en warempel, alle vijftig missen ze. Als er ook maar een schutter niet had gefaald, was je er niet meer geweest om die collectieve blunder te ervaren. Maar daarbij zou je het niet laten, in stomme verbazing zou je op zoek gaan naar de reden voor je geluk. Evenzo wens ik als kosmoloog het gegeven van al die goed staande knoppen niet zonder meer te accepteren en wil ik alles in het werk stellen om te achterhalen waarom een uniek recept voor de kosmos toch zo'n interessante kosmische leefomgeving heeft opgeleverd met mijzelf als nevenproduct. Misschien lukt het fysici in de nabije toekomst een theorie op te stellen die uit de voeten kan met het vroegste heelal en die vertrouwen inboezemt omdat zij mysteries waar experimentatoren nu geen raad mee weten afdoende verklaart. Als zo'n theorie niet één oerknal voorspelt maar een hele zwik, hebben we net zoveel reden om in het multiversum te geloven als nu in zwarte gaten.''

Eén van die mysteries is de `donkere materie'. Uit de bewegingen van (clusters van) sterrenstelsels kunnen astronomen niet anders dan concluderen dat het overgrote deel van de voor die bewegingen vereiste materie zoek is. Waar houdt die zich schuil? Rees: ``Het is een embarrassment, maar we moeten niet verbaasd staan kijken dat we niet alles zien. De meeste voorwerpen op aarde schijnen niet, waarom zou dat elders in de kosmos anders zijn? Gelukkig is kosmologie een experimentele wetenschap. De waarnemingen vertellen ons dat het heelal voor 4 procent uit atomen bestaat, 30 procent is donkere materie en de rest is vacuümenergie. Kandidaten voor donkere materie zijn er te over. Zo zouden er tijdens de oerknal exotische deeltjes kunnen zijn gevormd die zich nog altijd aan detectie onttrekken. Niemand die het weet, wat ontbreekt is een adequate theorie om de oerknal te begrijpen. Wellicht verraadt zo'n theorie het bestaan van die exotische deeltjes, op dezelfde manier als we een theorie hebben die de hoeveelheid helium in het heelal correct voorspelt. Met een theorie in de hand kunnen experimentatoren gerichter aan de slag.''

Een ander kosmisch raadsel is de vacuümenergie. In 1917 voerde Einstein deze in om zijn theorie van de zwaartekracht, de Algemene Relativiteitstheorie, toegepast op het totale heelal een statische uitkomst te laten opleveren. Inmiddels lijken metingen aan ver verwijderde supernova-explosies uit te wijzen dat het heelal niet statisch is maar versneld uitdijt. Rees: ``De huidige theorie schiet schromelijk tekort op dit punt. Unificatie van de relativiteitstheorie en de quantumtheorie, van onze beschrijvingen van de macro- en microwereld, moet uitkomst bieden. Daarvoor is nodig dat we de korreligheid van de ruimte op de kleinste schaal achterhalen. Overigens twijfelen sommigen aan de juistheid van die supernovawaarnemingen, maar ook zonder die waarnemingen sta ik achter een versneld uitdijend heelal. Metingen aan de achtergrondstraling waarmee ons heelal is doordrenkt, een relict van de oerknal, wijzen uit dat het heelal vlak is en niet gekromd. Samen met de 30 procent donkere materie leidt dat tot de conclusie dat tweederde van de inhoud van het heelal niet in de materie zit maar in de ruimte: vacuümenergie. Die leidt tot een negatieve spanning die het heelal versneld uiteendrijft.''

Op de bijeenkomst eind augustus bij Rees thuis werd gediscussieerd over vragen als: `Wat is de speling in de heelalparameters opdat er leven kan ontstaan?', `Zijn de natuurwetten uniek' en `Wat heeft snaartheorie te bieden?' De laatste maakt onder theoretisch fysici furore en biedt een niet onomstreden beschrijving van de natuur in termen van trillende snaartjes. Snaartheorie werkt met elf dimensies wiskundig geen enkel probleem waarvan een aantal tot microscopisch kleine afmetingen zou zijn `opgerold'. Ligt hier de sleutel? Rees: ``Daarvoor is het nog te vroeg. Het zou kunnen dat de vacuümenergie een consequentie zal blijken van de korreligheid van de ruimte op de kleinst mogelijke schaal. De hamvraag is of de natuurwetten meer dan één oerknal toestaan. En dan moeten we goed in de gaten houden dat wanneer natuurkundigen zeggen dat het heelal uit het niets ontstond, ze een ander `niets' op het oog hebben dan filosofen. Het `niets' van fysici bezit structuur, de natuurwetten zijn er al in vervat. Waarom die natuurwetten bestaan, waarom ze het heelal of het multiversum leven inbliezen, daaraan wagen fysici zich niet.''

snaartheorie

Kunnen experimenten de keuze tussen universum of multiversum beslechten? Rees meent van wel. ``Het is waar dat een geünificeerde theorie zoveel effecten voorspelt dat ze in aardse deeltjesversnellers nooit zijn te checken. Niettemin kan zo'n theorie voorspellingen doen die experimenteel wel degelijk zijn na te trekken. Zo zijn er varianten van de snaartheorie die meerdere universa tegelijk in een hoger-dimensionale ruimte laten bewegen, universa die elkaar via de zwaartekracht zouden kunnen beïnvloeden. Dat zou zich kunnen verraden wanneer Newtons zwaartekrachtswet op zeer korte afstand afwijkingen te zien geeft. Maar precisiemetingen hebben die tot nu toe niet kunnen aantonen.''

Een nieuwe theorie is broodnodig, zoveel is zeker. Rees: ``Het huidige Standaardmodel, dat de kleinste deeltjes en hun interacties beschrijft, bevat achttien parameters die niet uit de theorie zelf voortvloeien, zoals de massa van het elektron en het feit dat er vier natuurkrachten zijn. Die getallen moet je er als theoreticus van buitenaf instoppen, geen fraaie figuur. Als een geünificeerde theorie die waardes wel in zich heeft, en zich ook nog eens uitlaat over de oerknal, zijn we een stuk verder. Het kan nog jaren duren eer we die theorie hebben als ze bestaat maar ik wed alvast dat de uitkomst een multiversum is.''

ZES GETALLEN In zijn in 1999 verschenen boek Just Six Numbers beschrijft Martin Rees zes getallen die het heelal vormgeven. Twee daarvan houden verband met de basiskrachten, twee met de grootte en de textuur van het heelal en twee hebben te maken met de eigenschappen van de ruimte. Het zijn: N. Dit getal is gelijk aan een miljard keer een miljard keer een miljard keer een miljard en geeft de sterkteverhouding aan tussen elektromagnetische kracht en zwaartekracht. Hoe kleiner de zwaartekracht, hoe complexer de structuren van materie. . Epsilon, groot 0,007, zegt hoe krachtig atoomkernen aan elkaar plakken. Was de grootte iets anders geweest, dan hadden zich geen zwaardere elementen gevormd, voorwaarde voor ons bestaan. . Omega geeft de hoeveelheid materie aan die zich in het heelal bevindt. De huidige schatting is 0,3, inclusief donkere materie. Bij een Omega groter dan 1 komt de uitdijing van het heelal tot stilstand en gaan we richting eindkrak. . Lambda geeft de vacuümenergie aan, die het heelal versneld doet uitdijen. De waarde is zeer klein, anders had de zwaartekracht geen kans gezien interessante structuren te bewerkstelligen. Q. Dit getal bepaalt de maat van de grootste structuren in het heelal en heeft een waarde van ongeveer 0,00001. Bij een andere Q is er geen structuur, of domineren kolossale zwarte gaten. D. Het aantal ruimtedimensies in het heelal: drie. Snaartheorie werkt met tien ruimtedimensies. In een hogerdimensionale ruimte kunnen driedimensionale heelallen zweven zonder elkaar te merken: een multiversum. De komende jaren zal de waarde van deze zes getallen dankzij betere apparatuur, mede geplaatst in satellieten, precieser vast komen te staan. Waarna het aan de theoretici is een overkoepelende theorie te maken die het heelal beschrijft. `GROTE VRAGEN VAN LEKEN ZIJN EEN ZEGENING' Net als iedere astronoom krijgt Martin Rees na afloop van een lezing voor een breed publiek, ongeacht het onderwerp, altijd dezelfde vragen. `Wat gebeurde er vóór de Big Bang?' Of: `Hoe vergaat het iemand die in een zwart gat tuimelt?' ``Ik ervaar het als een zegening'', zegt Rees. ``Een onderzoeker die vooruit wil, concentreert zich op een afgeperkt probleem. Dat doet hij uit zelfbehoud. Maar het oplossen van een klein probleem is alleen de moeite waard als het de antwoorden op de Grote Vragen dichterbij brengt. Vragen die het grote publiek op de lippen branden herinneren ons aan onze werkelijke taak: een totaalbeeld van de kosmos in het leven roepen.'' Als onderzoeker is Rees actief op uiteenlopende terreinen. Zowel zwarte gaten, de oerknal als sterformatie in het jonge heelal hebben zijn belangstelling. ``Ik hou van een brede aanpak, het liefst breng ik op het oog losstaande waarnemingen bij elkaar. Ook werk ik graag samen met collega's, dan kom je tenminste in contact met nieuwe onderwerpen. Mijn bijdragen zijn divers, ik ben niet een man van één grote ontdekking.'' Om de geheimen van de kosmos te ontsluieren bedienen astronomen zich van steeds krachtiger en duurdere telescopen. De Very Large Telescope in de Chileense Andes, met vier spiegels van 8,2 meter, is nog maar net in gebruik of de Europeanen ontwikkelen serieuze plannen voor een Overwhelmingly Large Telescope, een samengestelde spiegel van 100 meter. ``Erg duur'', beaamt Rees, ``maar naast grootschalige internationale instrumenten zal er altijd ruimte zijn voor slimme kleinschalige proeven. Bovendien zijn data dankzij internet breed toegankelijk. Moest je vroeger naar Mount Palomar om de originele platen van stukjes sterrenhemel te bekijken, nu kun je de gegevens gewoon thuis downloaden.''