De Sterrenkunde-reeks bij Studium Generale is alweer afgelopen. Ik heb de lezingen alle vier gevolgd en over alle vier een reportage geschreven. Een verslag van Govert Schillings lezing over de fascinatie van de mens voor de kosmos is elders te vinden. Hieronder een samenvatting van de overige drie lezingen, waarin Utrechtse sterrenkundigen vertelden over de stand van zaken in het onderzoek. Meer sterrenkunde? Kijk op het Internationale Jaar voor de Sterrenkunde. De volledige verslagen van alle lezingen zijn te downloaden op de website van SG.

Van de aarde via zon en maan naar andere planeten tot aan een Theorie van Alles: de reeks bracht het publiek steeds verder van huis in steeds uitzinniger sferen. Bij de laatste lezing zat ik met mijn oren te klapperen, totaal meegesleept langs de grenzen van het denken. De afsluiting is wat mij betreft geen einde, maar eerder een begin van verdere studie in de wondere wereld van het uitdijende heelal.

Wist je dat de neutrino’s je nooit meer met rust zullen laten?
De reis door de kosmologie begon gewoon hier op aarde. Professor Frank Verbunt laat zien dat de invloed van zon en maan op het wel en wee van de aarde groot is, en veelvormiger dan gedacht.

De interessantste wetenschappelijke feiten zijn zo opmerkelijk en simpel dat je ze nooit vergeet en vaak wilt herhalen. De geëigende vorm daarvoor is ‘Wist je dat...’; waarna iets volgt wat ondenkbaar lijkt, wat met jezelf te maken heeft en wat ondersteund wordt met keihard, na te rekenen bewijs. Wist je dat elke seconde zestig miljard neutrino’s door elke vierkante centimeter op aarde razen? Dus ook door je eigen lichaam heen?

Waar komen die neutrino’s vandaan? De energie van de zon vindt haar oorsprong in kernfusie, die je in modellen en formules kan vatten. Maar de formule vertoont een afwijking, er verdwijnt namelijk massa. Die wordt omgezet in energie, ofwel licht. Kort gezegd: er lijkt bij kernfusie meer aan massa in te gaan dan eruit komt. Líjkt, want in werkelijkheid komen twee bijna onmeetbare deeltjes mee, de neutrino’s. Die alle kanten op vliegen – ongehinderd door jou en mij. Wist je dat...?

Nog zo een. Wist je dat de dag steeds langer wordt en de maand ook? Al in de zeventiende hield Edmond Halley (naamgever van de bekende komeet) zich hiermee bezig. Halley deed onderzoek naar zonsverduisteringen. Het is exact te berekenen hoeveel tijd er tussen twee verduisteringen moet zitten. Halley rekende uit dat eerder een verduistering in Alexandrië moest zijn geweest. Bronnen wezen iets anders uit: niet Alexandrië, maar Bagdad was getuige geweest. Daar zit een uur verschil tussen! Er was maar één conclusie mogelijk: de dagen en de maanden worden langer. De gemiddelde verandering is langzamer dan 2,3 milliseconde per eeuw. Toch is dat al gauw een paar seconden sinds het begin van de jaartelling.

De Russische (fictieve) schrijver Kuzma Prutkow vroeg zijn lezer: ‘Wie is er nuttiger, de zon of de maan?’ Zonder de zon geen energie en leven, zonder de maan geen klimaat dat de energie in bedwang houdt en het leven pas echt tot leven wekt. Prutkow zelf wist nog beter het antwoord: ‘De maan is de nuttigste, want hij geeft 's nachts licht, dus als het donker is; de zon schijnt echter alleen overdag, als er toch al licht is.’

‘We zijn niet alleen, maar wel eenzaam en onvindbaar’
In de volgende lezing gaat dr. Daphne Stam voorbij de maan en de zon, de Melkweg uit. Ze doet onderzoek naar exoplaneten en leven in andere sterrenstelsels. Het is met enige schroom dat je een wetenschapper vraagt naar buitenaards leven en de kans op technologisch vergevorderde samenlevingen in outer space. De wetenschap onderzoekt deze vragen echter zeer serieus en diepgravend en hoopt net als het grote publiek op een wereldschokkende ontdekking.

Hoewel onbekend is hoe het leven ooit is begonnen, is inmiddels wel duidelijk wat essentieel is om te overleven. Hoe strikt deze voorwaarden zijn is maar de vraag. Tegenwoordig zijn ook organismen bekend die onder zeer extreme omstandigheden leven en die daarom toepasselijk extremofielen heten. Op de meest onherbergzame plekken, zoals in zwavelbronnen en op Antarctica, is blijkbaar wel leven mogelijk. Dus misschien ook wel op onherbergzame planeten.

Christiaan Huygens was een van de eersten die nadacht over leven op planeten bij een andere zon of ster. Als de zon een ster is, zo redeneerde hij, en de hemel is bezaaid met sterren, waarom zouden die dan geen planeten hebben? Inmiddels is de techniek zo geavanceerd dat er daadwerkelijk planeten bij andere sterren aan te wijzen zijn. Zo leren we ook meer over ons eigen Melkwegstelsel, dat een heel normaal, gemiddeld stelsel blijkt te zijn, onopvallend en eigenlijk totaal niet interessant – mocht je een alien zijn. De Melkweg mag dan onopvallend en gemiddeld zijn, de getallen liegen er niet om. Een sterrenstelsel als het onze kent zo’n 200 miljard sterren, waarvan er 40 miljard als onze zon zijn. Er moeten dus heel veel planeten zijn. Waarom is de Melkweg dan onopvallend? Omdat hij slechts een van de honderd miljard sterrenstelsels is...

‘Wat zullen we uiteindelijk aan leven vinden?’ Stam haalt Drake aan, die in 1961 een formule opstelde om de kans op ander leven in de kosmos te beschrijven. Daarin zijn allerlei variabelen opgenomen, zoals de gemiddelde snelheid waarmee sterren geboren worden, het percentage van die sterren met planeten, het deel van die planeten waar intelligent leven zich ontwikkelt en de levensduur van technologische beschavingen. Afhankelijk van de input is de uitkomst van de vergelijking dat er toch minstens zeshonderd technologische, communicerende beschavingen moeten zijn. ‘We zijn dus niet alleen, maar wel eenzaam en onvindbaar.’

Op zoek naar die ene, robuuste, unieke theorie
Professor Renate Loll is als theoretisch natuurkundige bezig met de zoektocht naar een Theorie van Alles, waarin Einsteins algemene relativiteit verzoend wordt met ideeën uit de kwantumzwaartekracht. Hoe ziet zo’n theorie eruit en wat heeft zij te zeggen over wormgaten en tijdreizen? Waar ligt de grens tussen science en fiction?

Allereerst geeft Loll een idee van de schaal waarop kwantumonderzoek zich afspeelt. We zien een foto van een vijver met waterlelies. Elke volgende foto zoomt in op een deel van het plaatje, steeds met dezelfde verkleining van factor tien. De eerste foto’s zijn duidelijk: de vijver, een lelie met een bij erop, het hoofd van de bij, zijn oog. Het zoomen gaat verder: een stukje pollen, een bacterie, daarop een virus. Nog verder: strengen DNA, DNA-structuur. Dat is 1 nanometer, 10 tot de min negende. Dan het koolstofatoom, elektronen, de nucleus, tot je bij het ‘bijna niets’ komt: protonen, quarks en gluons, elementaire deeltjes. Dan het kleinste niveau, waarop de Geneefse deeltjesversneller opereert: 10^-18. Let wel: de verhouding tussen de lelie met een bij en het hoofd van de bij is dezelfde als tussen de nucleus van een elektron en elementaire deeltjes. Uiteindelijk kan de natuurkunde nog zestien ordes van grootte teruggaan tot de Planckschaal (10^-35), de allerkleinste schaal die bekend is, nog voorbij de elementaire deeltjes. Hier spelen vragen over de lege ruimtetijd tússen die elementaire deeltjes.

De lege ruimtetijd tussen elementaire deeltjes: een leuk denkspelletje, maar verder niet echt boeiend, toch? Waarom zou je je bezighouden met – niets? Voor de twintigste eeuw was het volkomen gerechtvaardigd om ruimte en tijd te beschouwen als achtergrond voor interessante processen en niet als interessant op zich. Dat is het wereldbeeld van Newton: het universum bestaat uit ruimte plus tijd plus zwaartekracht. Daarbij zijn ruimte en tijd onveranderlijk en eeuwig, als een schouwtoneel waarop de zwaartekracht zijn dynamiek uitoefent.

Einstein zou het wereldbeeld totaal veranderen. Ruimte en tijd zijn innig verstrengeld, er is geen scherpe grens tussen te trekken, zo toonde hij in 1905 aan. Ruimte en tijd koppelde hij tot ruimtetijd; maar die bleef statisch en niet erg boeiend. Met de tweede revolutie van Einstein in 1915 veranderde ook dat. In dat jaar ontvouwde Einstein zijn theorie van de gekromde ruimtetijd, waarmee ook het verschil tussen ruimtetijd en zwaartekracht is opgeheven. Zwaartekracht, zo laat dit model zien, is integraal onderdeel van de structuur van de ruimtetijd zelf. Die wordt daarmee dynamisch op zich, gekromd. Geen enkele vorm van massa of energie kan ontsnappen aan die dynamiek. Zelfs lege ruimte oefent dus krachten uit op dingen die in haar worden geplaatst. De ruimte is gezegend met eigenschappen die het bestuderen meer dan waard zijn.

Einsteins theorie markeert niet het einde van de natuurkunde. Wat blijkt namelijk: op zeer kleine schaal is de klassieke theorie niet toepasbaar. Tot op millimeters gaat het goed, maar op moleculair, atomair en nucleair niveau is de zwaartekracht zo zwak dat hij niet belangrijk meer is, hij wordt helemaal tenietgedaan door andere interacties tussen deze deeltjes. De microstructuur van ruimtetijd zal er anders uit zien dan de ruimtetijd op grote schaal. Op welke manier? De ruimtetijd is op grote schaal weliswaar gekromd, maar toch vlak en glad te noemen. Op kleine schaal is hij juist verre van glad, eerder gekreukeld. Vandaar de vergelijking met schuim.

Na deze theoretische verkenning van kwantumonderzoek naar ruimtetijd komt de grote vraag: wat zegt die theorie over wormgaten? Het belangrijkste is natuurlijk dat wormgaten de mogelijkheid tot tijdreizen inhouden. Stel je een tweedimensionale ruimte voor. Door de ruimte te vouwen als een vel papier, ontstaat een shortcut. In plaats van tientallen lichtjaren, is de andere kant van het heelal nog maar een paar jaar weg.

Wat is hier feit en wat fictie? De algemene relativiteitstheorie staat niet toe dat wormgaten geboren worden, dat kan simpelweg niet. Maar misschien zijn ze wel in de chaos van de oerknal ontstaan. Een ander punt weegt zwaarder: om het wormgat open te houden en niet te laten inklappen, is het bestaan van zogenaamde exotische materie vereist. Exotische materie heet nu juist zo omdat ze onbekend is, nooit gezien of gemeten, en met eigenschappen die vrijwel ondenkbaar zijn: negatieve energie en een onmogelijke dichtheid. Met andere woorden: die theorie is niet echt natuurkundig. Dat gezegd hebbende, zou een bestaand wormgat inderdaad een vervoermiddel naar een andere tijd kunnen zijn. Het idee van tijdreizen is op zich echter voor de wetenschap een ramp, omdat het zou indruisen tegen de basis van alle natuurkundige wetten: causaliteit. ‘Dan kun je alleen nog maar wanhopen.’

Professor Loll vertelt over een experiment dat ze heeft opgezet om het bestaan van wormgaten te testen. Met behulp van de computer heeft ze een model gebouwd op de Planckschaal. Als voorwaarden koos ze bepaalde ingrediënten en stelde ze vast hoe die mogen bewegen. Vervolgens liet ze de ingrediënten uitdijen tot een ruimtetijd op grote schaal. Het experiment is twee keer uitgevoerd. De ene keer mogen de atomen wormgaten vormen, de andere keer niet. En wat blijkt? Als wormgaten zijn toegestaan, komen ze ook in groten getale voor. Maar alle energie gaat zitten in het maken van wormgaten, de rest van de ruimte groeit gewoon niet. Dat is niet consistent met wat we om ons heen zien. In het andere experiment, waarin wormgaten niet voorkomen, is het resultaat een universum op grote schaal dat bovendien overeenstemt met de Einstein-theorie.

Uit dit experiment komt ook de totaal bizarre, wilde aard van het kwantumschuim op de Planckschaal naar voren. De ruimtetijd is op dit niveau zozeer gekromd, dat die lijkt op gekreukeld papier, dat bovendien niet vierdimensionaal is, maar tweedimensionaal. ‘Einstein would never have believed it!’ De verzuchting van Loll klinkt even verheugd als verbaasd.

Ik moet nog even bijkomen van een maan die van de aarde af beweegt, van de nietigheid van ons sterrenstelsel en de schuimachtige vorm van materie... Gelukkig hoef ik me over één ding geen zorgen te maken: de snaartheorie met haar twaalf dimensies is alweer achterhaald.

Lees meer over: sterrenkunde, Studium Generale, lezing