Tags
Stelling: Eén ding is wel duidelijk dat de kwantumwereld de aardse fysica overstijgt, omdat alle gewone fysische wetten lijken te worden genegeerd als de strofysici hun vreemde waarnemingen proberen te verklaren *zie: Toeval! : hoe de kwantumfysica ons wereldbeeld verandert, Zeilinger, Anton / Veen Magazines*. Die gaan zo ernstig tegen alle tot heden bekende inzichten in dat die astrofysici zich geen raad weten. Zou er een soort van ‘terra incognita’-terrein binnen de kwantumtheorie bestaan waar alles voor ons – in navolging van de huidige wetenschappelijke inzichten – en dus ook voor de gewone burgers onbekend en onbegrijpelijk is. Het enige dat intuïtief te stellen is dat er fundamentele verschillen bestaan tussen de kwantumwereld en de bekende wetenschappelijke inzichten. Dat zal dus in de komende jaren wel ontdekt gaan worden.
Waar geen waar meer is (George van Hal, Wetenschap/de Volkskrant, 5-8-23)
De wetenschapsredactie zoekt deze zomer antwoord op grote, eigenlijk niet te beantwoorden vragen van lezers. Vandaag: waar eindigt het heelal? Een verkenning van de ruimte voorbij de waarneemhorizon, waar historische kaartenmakers draken zouden tekenen.
Het is voor het menselijk brein maar moeilijk te bevatten. Het idee dat iets, wat dan ook, oneindig groot kan zijn. Alles dat we kennen, is immers eindig: de stad waarin we wonen, de uitgestrekte wateren van onze oceanen, de atmosfeer boven onze hoofden, zelfs de planeet waarop we rondlopen.
Echte oneindigheid vind je alleen in de wiskunde. Want bedácht heb je het zo, iets waar geen eind aan komt. Een rij getallen, bijvoorbeeld, waar je je hele leven aan kunt blijven tellen zonder dat je ooit klaar bent. En toch stellen sommige natuur- en sterrenkundigen dat oneindigheid meer is dan louter theorie. Zij vermoeden dat het heelal oneindig groot is.
Dat blijkt iets dat bij veel lezers een stemmetje opwekt dat zegt: doe niet zo mal. Iets dat oneindig is, kán niet bestaan. Dat is althans de conclusie die je zou kunnen trekken uit de mailbox van de Grote Vragen van de wetenschapsredactie van de Volkskrant, die dit jaar onder meer volstroomde met varianten op deze vraag: is de kosmos echt oneindig groot? Of, in de formulering van lezer Pierre Vermeulen: waar eindigt het heelal?
‘Er is één overweldigend wetenschappelijk gegeven dat vrijwel onomstotelijk vaststaat: er zit een eindige hoeveelheid tijd in het heelal. In totaal 13,8 miljard jaar, om precies te zijn’, zegt hoogleraar astrofysica Vincent Icke van de Universiteit Leiden. Astronomen kennen de tijd die verstreken is sinds de oerknal, het begin van het heelal, onder meer doordat ze die indirect kunnen afleiden uit de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van die oerknal.
In de tijd is het heelal dus niet oneindig en dat heeft weer invloed op de vraag of de kosmos begrensd is in de ruimte. Daarbij speelt een tweede feit een belangrijke rol: dat óók de snelheid van het licht eindig is. ‘Uitkijken in de ruimte, is daardoor terugkijken in de tijd’, zegt Icke. ‘We zien de maan zoals deze er 1,3 seconden geleden uitzag, de zon zoals deze er 8,3 minuten geleden uitzag en het Andromedastelsel zoals dat er ruim 2 miljard jaar geleden uitzag.’
Zo doorgaand kun je op dit moment maximaal 13,8 miljard jaar diep de kosmos in kijken. Daarna is de tijd ‘op’. Althans: voorlopig. ‘Dat betekent dat je een bol met een straal van 13,8 miljard jaar om ons heen kunt trekken. En daar voorbij is er niets’, zegt Icke.
Ziedaar het beste wetenschappelijke antwoord op deze vraag, zegt Icke. Het einde van het heelal is het gebied – in alle richtingen – waar licht 13,8 miljard jaar geleden vertrok. Daar bevindt zich wat astronomen de waarneemhorizon noemen. ‘Daar voorbij is niets. Geen tijd, geen ruimte, geen materie’, zegt hij. Over en uit.
De waarneemhorizon ligt niet vast, maar verschuift met de tijd. Wie wacht, heeft tot nog toe kunnen zien dat het heelal groter is geworden, simpelweg doordat er meer tijd bijgekomen is. Het lijkt dus alsof buiten die waarneemhorizon nog een voorraadje ruimte voorhanden is, waar we door te wachten steeds meer van kunnen zien. ‘Dat klopt in zekere zin’, zegt Icke. ‘Over een miljard jaar krijg je er een miljard lichtjaar bij.’
Tegelijk heeft het geen enkele zin om over voor ons onzichtbare ruimte te praten, vindt hij. ‘Alles voorbij de waarneemhorizon is bedachte ruimte. Er bestaat geen enkele manier waarop je er kennis van kunt nemen.’
Licht van zo ver weg kan ons immers niet bereiken. Je kunt zelfs geen ruimteschip bouwen om erheen te vliegen. Want het heelal dijt ondertussen ook uit, groeit steeds groter. Het gebied waaruit licht ooit 13,8 miljard jaar geleden richting ons vertrok, destijds op 13,8 miljard lichtjaar afstand, ligt daardoor inmiddels al 45,7 miljard lichtjaar bij ons vandaan. Tegen die uitdijingssnelheid kun je met een ruimteschip, dat ook met maximaal de lichtsnelheid kan vliegen, nooit op.
‘Je kunt over de ruimte voorbij de horizon natuurlijk wel fantaseren’, zegt Icke. ‘Maar dan verlaat je de natuurkunde en kom je terecht in de filosofie of de literatuur. Het gebied waarover kaartenmakers vroeger zeiden: hier zijn draken. Dat soort nieuwsgierigheid is heus dierbaar en waardevol, maar je stelt dan geen wetenschappelijke vragen meer. Het gebied voorbij de horizon kan niet met ons wisselwerken. En dus heeft het natuur- en sterrenkundig gezien geen enkele betekenis.’
Een grove 200 kilometer verderop, op kosmische schaal een verwaarloosbaar klein stukje, ziet hoogleraar kosmologie Rien van de Weijgaert van de Rijksuniversiteit Groningen het ietwat anders. ‘We weten niet hoe groot het heelal is. Voor zover we weten is niets in strijd met het idee dat het oneindig groot is. Het is sowieso ontzettend veel groter dan het waarneembare heelal’, zegt hij.
Waar Icke de grens trekt bij de waarneemhorizon, kijkt Van de Weijgaert met andere woorden vol interesse over die grens heen. Hoeveel heelal er nog buiten de horizon is, weet niemand. Maar volgens Van de Weijgaert kun je dat wel beredeneren.
Kosmologen bedachten eerder al dat het formaat van het heelal invloed heeft op de route van het licht door dat heelal. In een eindig heelal zou een lichtstraal van de ene kant weer uit moeten komen aan de andere kant. Precies zoals je bij een wandeltocht in rechte lijn over het aardoppervlak, uiteindelijk altijd op hetzelfde punt belandt.
Een gesloten universum, heet dat ook wel. Een heelal met een zodanige kromming dat lichtstralen naar elkaar toe buigen. Het heelal kan ook open zijn: waarbij lichtstralen juist van elkaar af bewegen. Of plat: waarbij lichtstralen altijd rechtdoor blijven vliegen. Een plat heelal is waarschijnlijk (maar niet per definitie) ook oneindig.
In wat voor type heelal we leven, kun je afleiden uit de vorm van patronen in de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van de oerknal, een vlekkenpatroon van gebiedjes die destijds een beetje heter of kouder waren. In dat patroon zou je afwijkingen kunnen ontdekken, die de route onthullen die het vroege licht door de kosmos heeft afgelegd. Als het heelal niet plat – en dus waarschijnlijk oneindig – is, zouden de vormen van het patroon iets vertekend moeten zijn. ‘Maar zo’n handtekening is nooit gevonden’, zegt Van de Weijgaert.
Het betekent dat als die afwijkingen bestaan, ze zodanig klein zijn dat we ze niet kunnen meten. De afwijking van een plat heelal moet in dat geval kleiner zijn dan 0,25 procent. De enige conclusie: het heelal moet of oneindig groot zijn of gewoon onbevattelijk gigantisch, veel groter dan het gedeelte dat we kunnen zien. ‘Want hoe groter het heelal is, hoe kleiner – en dus moeilijker meetbaar – zo’n handtekening is.’
Studies die schattingen doen over hoe groot het heelal precies is, lopen ondertussen nogal uiteen. Onderzoekers uit Oxford berekenden in 2011 in het vakblad Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dat de kosmos 251 keer groter is dan het waarneembare heelal, in totaal ruim 23 duizend miljard lichtjaar dus.Als dat flink klinkt, heeft u de totaal waanzinnige schatting van de Canadese natuurkundige Don Page nog niet gehoord, die in 2007 in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics schatte dat het heelal 10^10^10^122 (10 tot de macht tien tot de macht tien tot de macht 122) megaparsec groot is (een megaparsec is 3,26 miljoen lichtjaar). Dat getal is zo duizelingwekkend gigantisch dat je het letterlijk niet meer in woorden kunt uitdrukken. In het dagelijks taalgebruik zou je misschien kunnen zeggen dat het heelal dan ‘praktisch oneindig’ is.En ja, zegt Van de Weijgaert – dat is echt wetenschap. Het gebied voorbij de horizon is immers direct verbonden met het heelal dat we zien. En dus kunnen we er indirect wel degelijk iets over leren.
Dat kun je overigens op je klompen al aanvoelen, stelt hij. Kijk opnieuw maar naar de kosmische achtergrondstraling. ‘Die is afkomstig van ongeveer 379 duizend jaar na de oerknal. Op dat moment was het waarneembare heelal veel kleiner. Een bol met een straal van iets meer dan een miljoen lichtjaar.’
Sindsdien is het waarneembare heelal – simpelweg door het verstrijken van de tijd – veel groter geworden. Een bol van een miljoen lichtjaar is aan de hemel nog maar een klein vlekje, ongeveer 1 graad van een gradenboog van 180 graden. ‘Dat kleine vlekje en het vlekje er meteen naast lagen destijds dus volledig buiten elkaars horizon. Nu zie je dat die volumes deel zijn van een veel groter geheel’, zegt Van de Weijgaert. Tot nog toe is het dus altijd zo geweest dat achter de horizon steeds meer heelal zat. ‘Het is dan heel plausibel dat er buiten het huidige waarneembare ook veel meer zit.’
Stel dat Van de Weijgaert gelijk heeft, en er is buiten de waarnemingshorizon inderdaad nog heel veel ruimte, zijn er dan plekken in het heelal, een stuk verderop wellicht, misschien zelfs 10^10^10^122 megaparsec verderop, die in hun zichtbare deel van het heelal een buitengrens zien? Een plek waar ‘iets’ plots overgaat in ‘niets’, een grens aan onze werkelijkheid?
Het is een idee waar tot nog toe vooral sciencefictionschrijvers zich over hebben gebogen. In de aflevering Where No One Has Gone Before uit het eerste seizoen van televisieserie Star Trek: The Next Generation reist het ruimteschip Enterprise bijvoorbeeld per abuis zodanig ver het heelal in dat ze bij de grens van alles belanden. Het blijkt een magische plek, vol zwierig blauwe wolken en lichtgevende energiewezens. Een plek waar herinneringen, fantasie en werkelijkheid in elkaar beginnen over te lopen omdat gedachten er de staat van de werkelijkheid dicteren.
Fictie natuurlijk, niet veel anders dan het ‘hier zijn draken’ van historische kaartenmakers, maar is het überhaupt denkbaar dat zo’n plek bestaat? Dat het heelal een buitengrens heeft, een ‘waar’ waar alles eindigt? En dan niet alleen omdat we er niet voorbij kunnen kijken, maar omdat het daar echt stopt? Omdat er simpelweg niet meer is? De consensus onder kosmologen is ‘nee’: zo’n punt kan vermoedelijk niet bestaan.’Het heelal is immers niet iets dat in iets anders zit’, zegt Van de Weijgaert. Het is geen ding, geen bol of ovaal, of noem alle denkbare vormen maar op, die dobbert in iets dat nog groter is. We kunnen onze plek in de werkelijkheid beschrijven in almaar grotere matroesjkapoppen: straat, stad, land, planeet, planeetstelsel, sterrenstelsel, et cetera. Maar er zit niets buiten het heelal. Het heelal is ‘heel het al’, het is alles dat er is. Per definitie.
‘We gaan ervan uit dat er geen bijzondere positie in het heelal bestaat. Er is geen midden, geen kerngebied en geen grens’, zegt Van de Weijgaert. Hij vergelijkt het met een donut. ‘Daar zit ook geen voorkeurspositie op. Je reist rond en je komt weer terug bij jezelf.’
Dat idee noemen astronomen ook wel het kosmologisch principe: dat het heelal homogeen en isotroop is, in vakjargon. Zonder speciaal punt en in alle richtingen hetzelfde. Niet op kleine schaal, overigens: dan zie je natuurlijk variatie. Maar op grote schaal oogt alles hetzelfde. Zoom extreem ver uit en de materie in het heelal ziet eruit als een reusachtige spons, zonder speciale samenhopingen of gekke patronen.
‘Als het kosmologisch principe onverhoopt niet klopt, dan is er echt stront aan de knikker. Alles stort dan in: de vergelijkingen van Einstein waarmee we zwaartekracht beschrijven, kunnen we dan plots niet meer oplossen. En die oplossingen vormen nu net de basis van alle analyses die we als kosmologen doen. Van de afstanden die we meten tot de snelheid waarmee het heelal uitdijt, de tijd sinds de oerknal – echt álles is erop gebaseerd. Als het niet klopt, hebben we een heel groot probleem.’
Tegelijk zijn de bewijzen voor het kosmologisch principe gelukkig stevig. ‘Bijvoorbeeld in de kosmische achtergrondstraling. Daarop zie je maar heel kleine variaties’, zegt hij. ‘Dat is de meest overtuigende aanwijzing dat het heelal extreem isotroop is.’
Van de Weijgaert vraagt tijdens colleges weleens voor de grap: wat is de eerste vraag die je zou stellen aan een alien uit een ander sterrenstelsel, als we daar ooit contact mee leggen? ‘Mijn antwoord: ziet het heelal er voor jullie ook isotroop uit? Als de aliens ‘ja’ zeggen, dan hebben we het definitieve bewijs voor het kosmologisch principe. Dat zeg ik natuurlijk gekscherend. Want heus: onze waarnemingen wijzen al overweldigend in die richting.’
Als het kosmologisch principe klopt, en overal hetzelfde is, dan heeft het dus per definitie geen grens. Maar dat betekent niet dat het ook oneindig groot is. Het verschil tussen eindig en oneindig ligt dan niet in het ‘waar’ waar het heelal eindigt, maar in de vraag of je, als je lang genoeg doorreist, weer bij je vertrekpunt arriveert.
‘Het blijkt dat er een ontzettend grote variatie van topologieën – vormen – mogelijk is voor een eindig heelal zonder voorkeurspositie’, zegt Van de Weijgaert. ‘Maar topologie is wiskundig notoir lastig, een waanzinnig complex onderzoeksveld. Misschien zeggen de meeste astronomen daarom wel liever: het heelal is waarschijnlijk oneindig groot. Dan hoeven ze zich daar niet mee bezig te houden’, zegt hij lachend.
De meeste lezers blijken zich zo’n oneindig heelal intuïtief veel lastiger te kunnen voorstellen dan een heelal dat eindig is, maar op een complexe manier vervormd of gekruld. Van de Weijgaert denkt dat een deel van dat ongemak voortkomt uit emotie. ‘In een oneindig groot heelal zijn we plots wel erg nietig. Stellen wij, de mens, dan nog wel iets voor?’
Van de Weijgaert denkt van wel. ‘Ik zeg meestal: wat zijn nou de meest complexe structuren die we kennen in de natuur? Zijn dat die enorme kosmische voorwerpen die we in de astronomie bestuderen? Welnee: het leven is veel complexer. En het meest complexe aan dat leven zijn wij: onze hersenen en ons bewustzijn. Voorlopig hoeven we ons geen zorgen te maken dat we niets meer voorstellen’, zegt hij.
Toch zijn er ook buiten de emotie nog wel argumenten te bedenken tegen oneindigheid. ‘Elders in de natuur zien we eigenlijk nergens oneindigheden. Oneindig kleine dingen bestaan simpelweg niet’, zegt hij. Je komt dan op het terrein van elementaire deeltjes en de quantummechanica’, zegt hij.
Daarin blijkt een kleinst mogelijke afmeting te bestaan. Dus waarom, wil Van de Weijgaert maar zeggen, zou oneindig gróót dan wel bestaan? ‘We kennen oneindigheden vooralsnog alleen als wiskundige abstracties. Bestaan ze dan wel op de schaal van de gehele kosmos? Dat is een vraag die ons vooralsnog helaas boven de pet gaat.’
https://krant.volkskrant.nl/titles/volkskrant/7929/publications/1941/pages/54/articles/1869538/54/1