38 Het ontvouwde heelal · PDF fileHoewel de zoektocht naar een ‘theorie van...

Click here to load reader

  • date post

    01-Feb-2018
  • Category

    Documents

  • view

    214
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of 38 Het ontvouwde heelal · PDF fileHoewel de zoektocht naar een ‘theorie van...

  • www.nwtonline.nl 38

    Het ontvouwde heelal

    iris

    dep

    pe

    Hoewel de zoektocht naar een theorie van alles op een dood spoor lijkt te zitten, borrelen steeds weer nieuwe exotische ideen op. Hoe staat het met grootste concurrenten van de snaartheorie? Het lijkt wel toveren.

    38_42_NWT10_oerknal.indd 38 11-09-2009 09:50:54

  • nwt 10 39

    het had zo mooi kunnen zijn: via een wormgat op reis naar de andere

    kant van de Melkweg of naar andere ster-renstelsels. Door de welbekende driedi-mensionale ruimte duurt het afl eggen van zon afstand miljoenen jaren, omdat niets sneller kan gaan dan het licht. Voor een wormgat geldt de limiet van de lichtsnel-heid echter niet, omdat het een is verbin-ding tussen twee verafgelegen delen van de ruimte die zelf niet in die ruimte ligt. Uit Einsteins vergelijkingen van de alge-mene relativiteitstheorie blijkt dat in een grotendeels normaal heelal plaats kan zijn voor n of meer wormgaten. Zelf kun-nen we geen wormgaten maken, want dat vergt onder meer onmenselijke hoeveel-heden energie. Toch sluit dat nog niet uit dat ze bij de oerknal zijn ontstaan.

    Maar helaas, stelt de Utrechtse fysicus Renate Loll, in het heelal is niet n wormgat te vinden. Hoe ze dat zo zeker weet? Loll heeft in haar computer de om-standigheden nagebootst die heersten in het heelal vlak na de oerknal, n keer met, en n keer zonder wormgaten. Als je aanneemt dat de oerknal op de een of andere manier wormgaten produceerde, ontstaat geen universum van enige im-portantie: geen gladde, driedimensionale ruimte die expandeert en daardoor af-koelt, waarin vervolgens voldoende tijd verstrijkt voor sterren en planeten om een ordentelijk leven te leiden. Een oerknal met wormgaten blijft een wild borrelende kwantumsoep waarin zelfs geen atomen kunnen ontstaan, laat staan levensvor-men die fantaseren over ruimtevaart.

    Waarom zou je je berhaupt afvragen waaruit ruimte en tijd zijn opgebouwd? De noodzaak daartoe volgt uit het confl ict tussen de relativiteitstheorie en de kwan-tumtheorie. Laatstgenoemde geeft recep-ten om uit te rekenen hoe deeltjes als pro-tonen, neutronen en elektronen elkaar benvloeden door middel van drie funda-mentele krachten: de elektromagnetische, de zwakke en de sterke kernkracht.

    De relativiteitstheorie gaat alleen over die andere fundamentele natuurkracht, de zwaartekracht. Die wordt beschreven als

    Het ontvouwde heelal

    Tekst Arnout Jaspers

    een kromming van de ruimtetijd, terwijl de overige drie krachten beschreven wor-den als de uitwisseling van krachtdeeltjes (bijvoorbeeld fotonen in het geval van de elektromagnetische kracht). De ruimtetijd is, net als in de snaartheorie, slechts het podium waarop dat laatste plaatsvindt.

    Die verschillen kun je negeren zolang je ze elk hun eigen ding laat doen: de kwan-tumtheorie het gedrag van microscopisch kleine deeltjes, de relativiteitstheorie ster-ren, planeten, sterrenstelsels en de ruimte daartussen. Het loopt echter spaak als iets heel kleins ook heel zwaar is, of vanwege de equivalentie van massa en energie erg veel energie heeft. De antwoorden van beide theorien zijn dan onzinnig. Dat geldt ook voor zwarte gaten. Volgens de relativiteitstheorie bevindt zich in de kern van een zwart gat een singulariteit, reden genoeg voor Einstein om op dat punt niet in zijn eigen theorie te geloven.

    Kwantumzwaartekracht moet de beide theorien verenigen, maar het is nog nie-mand gelukt een theorie van kwantum-zwaartekracht te verzinnen die ook nog eens experimenteel te toetsen is. Lange tijd leken de natuurkundigen die de be-faamde snaartheorie uitwerken de beste kaarten in handen te hebben, maar na-tuurkundigen kijken steeds meer naar nieuwe theorien.

    BeschamendLoll is een van de natuurkundigen die weinig verwachten van de snaartheorie. Ze praktiseert een tak van de theoretische fysica met de pakkende naam Kwantum-zwaartekracht uit Causale Dynamische Triangulaties (CDT). Het basisidee van dit onderzoeksveld is dat je begint met ul-tiem kleine bouwstenen en hun interac-ties, die voldoen aan de wetten van de kwantummechanica. Vervolgens hoop je dat die samen spontaan de eigenschappen van ruimte, tijd en zwaartekracht op gro-te schaal genereren. Let wel, deze bouw-stenen zijn geen elementaire deeltjes in de ruimtetijd, het zijn de bouwstenen van de ruimtetijd zelf. Uit praktische overwe-gingen kiest men meestal het equivalent

    De omweg via SaturnusDe fi losoof Ludwig Wittgenstein opende in 1918, toen er van kwantummechanica nog geen sprake was, zijn fameuze Tracta-tus Logico-Philosophicus met de woorden: De wereld is alles, wat het geval is.Sinds Richard Feynman in de jaren vijftig zijn nieuwe aanpak van de kwantummechanica introduceerde, behoort een fysi-cus te zeggen: In de wereld is alles het geval. In Wittgensteins tijd ging een deeltje dat van A naar B bewoog, langs n wel-bepaald pad. De vorm van dat pad werd bepaald door de krachten die er onderweg op werkten. Dit kon de elektromag-netische kracht zijn, of de sterke of zwakke kernkracht.Feynmans sum over histories-aanpak poneert dat als een deeltje eerst in A wordt gezien, en later in B, het via alle denk-bare paden tegelijk van A naar B is gegaan. De kortere paden leveren de grootste bijdrage, maar ook grote omwegen (des-noods via de ringen van Satur-nus) dragen bij aan het totale plaatje. Dit schijnbaar krankzin-nige denkbeeld bleek een uiterst vruchtbaar principe om vat te krijgen op de kwantumwerke-lijkheid. Er zijn nauwkeurige, experimenteel verifi eerbare berekeningen mee gemaakt over de eigenschappen van atomen en elementaire deeltjes.

    er

    ick v

    er

    me

    ule

    n

    38_42_NWT10_oerknal.indd 39 11-09-2009 09:50:58

  • www.nwtonline.nl 40

    van vlakke driehoekjes als bouwstenen, want uit vlakke, tweedimensionale drie-hoekjes kun je allerlei driedimensionale vormen opbouwen. Net zo is het geens-zins vanzelfsprekend dat de kwantum-bouwstenen, op grote schaal bekeken, samenklonteren tot een gladde, driedi-mensionale ruimte met een extra dimen-sie die de tijd voorstelt. Sterker nog: bij alle vorige pogingen kreeg men een heelal in de maag gesplitst dat ofwel oneindig veel dimensies had, ofwel leek op een grillig vertakt buizenstelsel.

    Waarom slaagde Loll waar al haar voor-gangers faalden? In een artikel in Scientific American (juli, 2008) noemde zijzelf haar aanpak bijna beschamend simpel, en dat terwijl het onderzoeksgebied al dertig jaar vast zat. Lolls voorgangers waren er altijd vanuit gegaan dat het principe van causali-teit (eerst de oorzaak, dan het gevolg) een bijproduct moest zijn van de grote-schaal-structuur van de ruimtetijd; zoals een re-genboog verschijnt in een wolk waterdrup-pels. Met name fysicus Stephen Hawking heeft altijd het idee gepropageerd dat op microniveau de tijd een illusie is, eigenlijk gewoon een vierde ruimtedimensie.

    dat de zwaartekracht volstrekt dominant is over alle andere vormen van energie of massa. Op de zwaartekracht na is het heelal dan bij benadering leeg. De expo-nentile uitdijing vl sneller dan de huidige uitdijing is een mooie bonus, want die komt overeen met een favoriet speeltje van sterrenkundigen: kosmische inflatie. Dit is een hypothetische periode van een fractie van een seconde na de oer-knal, die kosmologen gebruiken om in hun rekenmodellen alle oneffenheden in het vroege heelal glad te strijken. Daar-door is te verklaren waarom het heelal nu zo verbazend homogeen is.

    Lolls CDT is in zekere zin nog funda-menteler dan de snaartheorie, die al een jaar of twintig marktleider is in de specu-latieve fysica. De snaartheorie beschouwt de ruimtetijd als een gegeven, een podium waarop piepkleine, trillende snaartjes de rol van alle elementaire deeltjes en funda-mentele krachten spelen. Toen de eerste pogingen om de snaartjes op te laten tre-den, stukliepen op het feit dat het podium te krap was, weken de snaartheoretici uit naar een bhne met tien ruimtelijke di-mensies en een tijddimensie in totaal dus 11 dimensies. Dat wij niets merken van die zeven extra ruimtedimensies, zou komen omdat die piepklein opgerold zijn.

    Hoe en waarom die extra dimensies zich oprolden, was van later zorg, zo dacht men. Maar na de meer recente ontdekking dat dit op minstens 10500 manieren kon, elk resulterend in een universum dat in het geheel niet op het onze hoeft te lijken, laten steeds meer onderzoekers menigeen de snaartheorie links liggen. Loll: Mijn resultaat is iets waar snaartheoretici van zouden smullen: laten zien dat hun elfdi-mensionale ruimtetijd spontaan opvouwt tot de vierdimensionale ruimtetijd zoals wij die kennen.

    VerkreukeldLolls doorbraak betekent niet dat er nu een volwaardige theorie van de kwantum-zwaartekracht gevonden is. Haar simula-tie betreft bijvoorbeeld nog een leeg heelal, zonder materie. Dat is echter een steeds betere benadering van de realiteit naarmate je verder terug gaat naar de oer-knal. Terugkijkend in haar eigen model, ontdekte Loll iets opmerkelijks: Op heel kleine schaal, minder dan 10-34 meter, is het heelal tweedimensionaal. Het is als een bal die bestaat uit een heftig verkreu-

    iris

    dep

    pe

    Loll was de eerste die causaliteit expliciet inbouwde in de manier waarop de drie-hoekjes met elkaar samenhangen: Het is bijna toveren. Je begint met wilde, mi-croscopisch kleine bouwsteentjes die alle mogelijke configuraties mogen aanne-men, en het produceert deze macroscopi-

    sche, vierdimensionale De Sitter-ruimte-tijd.

    Willem de Sitter was een Nederlandse astronoom die nauw met Einstein samen-werkte. In 1917 vond hij oplossingen van de relativistische vergelijkingen die een leeg, exponentieel uitdijend heelal be-schrijven. Gek genoeg is dit precies wat moderne kosmologen nodig hebben: vlak na de oerknal is het heelal zo compact,

    Het heelal is als een bal die bestaat uit een heftig verkreukeld vel