Onze oneindige universa

22 december 2007

Naar de grenzen van het heelal? Dat is verder dan je denkt. Misschien wel oneindig ver.

De grens is bereikt. Bijna. Met de grootste telescopen ter wereld kijken astronomen tot aan de rand van het heelal. De Hubble-ruimtetelescoop heeft een bereik van ruim twaalf miljard lichtjaar. Gevoelige satellieten brengen de kosmische achtergrondstraling in beeld, het oudste – en verste – signaal in het universum. Nóg verder kijken kan niet. Per definitie niet. Hier ligt de rand van het heelal.

Dat wil zeggen: van het waarneembare heelal. Want een muur is er niet, evenmin als een uitgestrekt Niets. De rand van het heelal is niet meer dan een horizon – een praktische waarnemingsgrens die dáár ligt omdat wij ons híer bevinden. Wij zijn als scheepsjongens in het kraaiennest: we kunnen ver kijken, maar niet voorbij de horizon. Aan – of voorbij – die horizon is de oceaan echter niet wezenlijk anders dan onder onze eigen kiel.

De kosmische waarnemingshorizon is geen grens in de ruimte, maar eerder een grens in de tijd. Licht van verre sterrenstelsels doet er miljarden jaren over om ons te bereiken. Maar veertien miljard jaar geleden was er nog geen heelal. Geen enkele lichtstraal kan dus langer onderweg zijn dan veertien miljard jaar. Voorbij de horizon is het heelal niet wezenlijk anders dan in onze directe omgeving, maar het licht uit die verre regionen heeft onvoldoende tijd gehad om hier te arriveren.

Maar hebben die verre sterrenstelsels dan wel voldoende tijd gehad om dáár aan te komen? Ontstond het heelal niet uit één punt? En is de lichtsnelheid niet de absolute snelheidslimiet in het heelal? Hoe kan er ooit nog méér heelal zijn voorbij de horizon?

Het zijn de hoofdpijnvragen van de kosmologie. Ook ruim een halve eeuw nadat ze door de wetenschap zijn beantwoord, blijven ze de kop opsteken. Misschien wel omdat de mens niet ontworpen is om het universum te begrijpen. In het uitdijende heelal is geen sprake van sterrenstelsels die met hoge snelheid uiteen bewegen door een statische, lege ruimte. Integendeel: het is de ruimte zélf die uitdijt en daarbij steeds meer nieuwe ruimte creëert. Daar komt geen beweging bij kijken, en de lichtsnelheid speelt geen enkele rol.

Heeft het heelal eigenlijk wel een grens? Hoe ver strekt het zich voorbij de waarnemingshorizon nog uit? Komt er ooit een eind aan? De meeste kosmologen denken van niet. Ze schrikken niet meer van het begrip oneindig. En trouwens, zelfs als het heelal eindig was, met een aftelbaar aantal sterren en sterrenstelsels, zou het onbegrensd zijn. De kromming van de ruimte zou dan voorkomen dat we ooit een rand tegenkomen. Net zoals je over een cirkel met een eindige omtrek toch eeuwig door kunt wandelen.

Zelfs een oneindig uitgestrekt heelal gaat veel theoretici nog niet ver genoeg. Ze speculeren over parallelle heelallen, in andere dimensies, al even oneindig als het onze. Een oeverloos Multiversum van eindeloze kosmossen en onbegrensde mogelijkheden. Kosmossen met andere deeltjes en krachten, met afwijkende natuurconstanten, en met andere natuurwetten aan het roer. Heelallen die elkaar opvolgen in een allesoverkoepelende kosmische historie, of elkaar voortbrengen in een gigantische universele stamboom.

Het Multiversum is zo uitgestrekt als onze fantasie, maar de grens van ons eigen heelal ligt in de tijd, en niet in de ruimte. Als er al een verschil tussen die twee bestaat. Want in de nanowereld van Planck-lengtes en kwantumschuim zijn ruimte en tijd misschien even inwisselbaar als materie en energie.

Wie weet was de oerknal wel helemaal geen startpunt, geen uitzonderlijk moment, geen singulariteit, en hebben we die illusie slechts te danken aan de wijze waarop wij het coördinatennet van ruimte en tijd over de kosmos draperen. Kies een andere cirkel als evenaar, en de huidige noord- en zuidpool verschijnen opeens wél op een Mercatorkaart van de aarde. Ook de tijdsbegrenzing van het heelal vloeit mogelijk voort uit onze manier van kijken.

Die zienswijze, dat theoretische kader, is pijnlijk incompleet, dus het kan nog alle kanten op. De relativiteitstheorie laat zich niet verenigen met de kwantumfysica. Althans niet in ons beperkte voorstellingsvermogen, want de natuur zelf heeft er vast wel een oplossing voor gevonden. De kwantumzwaartekrachttheorie, die het heelal beschrijft van het allerkleinste tot het allergrootste, is de heilige graal van kosmologen en theoretisch fysici. Zo’n Theorie van Alles móet wel revolutionair zijn. Grensverleggend.

En verdeemoedigend. Want wie zijn blik verruimt, vergroot zijn wereld en verkleint zichzelf. Nicolaus Copernicus vertelde dat onze aarde slechts één planeet is temidden van andere; Giordano Bruno beschreef onze zon als één van de talloze sterren in het heelal, en Edwin Hubble ontdekte dat ons Melkwegstelsel honderd miljard soortgenoten kent. Dus waarom zou onze kleine, waarneembare uithoek van het grenzenloze heelal wél bijzonder zijn?

In de snaartheorie – een veelbelovende kandidaat voor de Theorie van Alles – is sprake van een compleet landschap van uiteenlopende heelallen: een oneindig aantal domeinen, stuk voor stuk enorm veel groter dan wat wij vanuit ons kleine kraaiennest kunnen overzien, en onderling gescheiden door wellicht ondoordringbare barrières van pure oerknalenergie. In dat snaarmultiversum is elke denkbare werkelijkheid wel érgens gerealiseerd.

En zelfs zónder die onbewezen hypothesen leidt een oneindig heelal tot duizelingwekkende conclusies. De kosmos binnen onze waarnemingshorizon mag naar menselijke begrippen gigantisch zijn, maar hij bevat toch slechts een eindig aantal ‘ruimtepixels’. Die kleinst mogelijke eenheden, elk zo groot als de Planck-lengte – een honderdtriljoenste van de middellijn van een proton – kun je slechts op een eindig aantal manieren vullen met de verschillende elementaire deeltjes die in de natuur voorkomen.

De aantallen zijn overweldigend, maar niet oneindig groot. Ons deel van het heelal, met een straal van bijna veertien miljard lichtjaar, kent slechts een eindig aantal mogelijke configuraties. En in een oneindig uitgestrekt heelal, met een oneindig aantal compartimenten van veertien miljard lichtjaar groot, is het onvermijdelijk dat er ooit sprake is van herhaling.

Net zoals elke denkbare cijferreeks, hoe lang ook, een oneindig aantal keren voorkomt in de decimale ontwikkeling van het getal pi, zo moet een werkelijk oneindig heelal ook talloze exacte kopieën bevatten van de configuratie waar wij deel van uitmaken.

Als de kosmos eindeloos is, wordt elders ditzelfde verhaal geschreven en gelezen, en komen schrijver en lezer een oneindig aantal malen tot de conclusie dat de grenzen van het heelal louter gelegen zijn in de beperking van ons eigen voorstellingsvermogen.


© Govert Schilling