Tijd is fundamenteel voor het bestaan van ons universum – dat was de conclusie van de lezing over tijd in de theoretische fysica, door professor Renate Loll. Tijd kun je benaderen als een kwantitatief gegeven en op die manier speelt het een rol in alle natuurkundige processen. Een formulering van natuurwetten kan niet zonder de notie van tijd, waarin veranderingen zich afspelen. Ook in experimenten die natuurwetten onderzoeken en proberen te bewijzen is ‘tijd’ altijd aanwezig als het referentiekader waarbinnen de natuurkunde werkt. Maar tijd is ook als kwalitatief fenomeen, een ding op zichzelf te bestuderen.

‘Was er tijd voor de oerknal?’ De titel van Lolls lezing verwijst naar de vraag of tijd emergent is, een soort bijverschijnsel in het universum dat tegelijk met het heelal is ontstaan. Of is het iets fundamenteels, iets wat noodzakelijk is voor het bestaan van alles?

Newton, Einstein, Terry Pratchett
Loll geeft een ultrakorte geschiedenis van het natuurkundige denken over tijd. Voor Newton bestond de wereld uit ruimte, tijd en zwaartekracht als drie losse eenheden. Tijd was in zijn wereldbeeld universeel en onveranderlijk. Dan komt Einstein met de relativiteitstheorie. Tijd is niet meer een statisch ding, maar afhankelijk van de positie van de waarnemer. Ruimte, tijd en zwaartekracht zijn één, ze gaan samen in de gekromde ruimtetijd. Tijd functioneert als vierde dimensie: een punt in de ruimte (drie dimensies) gaat gepaard met een punt in de tijd.

De relativiteitstheorie van Einstein laat zien dat het heelal uitdijt. Dat is een beweging in de tijd, die je ook terug kunt volgen. Het is mogelijk terug te denken tot aan het begin van het uitdijende heelal. De ruimte wordt dan almaar kleiner en kleiner. Uiteindelijk kom je uit op een punt waarin alle materie is samengebald. Renate Loll citeert fantasyschrijver Terry Pratchett: ‘In the beginning there was nothing, which exploded.’

Op dit punt, dat tegelijk alles en niets is, gebeurt echter iets vreemds. De condities daar zijn zo extreem, er is zoveel energie en materie samengebald, dat de theorie niet meer van toepassing is. Met andere woorden: Einsteins theorie voorspelt de ‘Big Bang’, maar kan wat er gebeurt in die Big Bang niet beschrijven. Een andere verklaring van wat zich in die extreme omstandigheden afspeelt is nodig. En dat is waar de kwantumtheorie zijn intrede doet.

Kwantumzwaartekracht
Einsteins theorie beschrijft zeer adequaat wat er gebeurt op de grote schaal van de natuur en kosmos. Op kleine schaal, zoals het ‘single point’ waarin alles is samengebald, laat de theorie het afweten. De natuurkunde moet dus op zoek naar een theorie die net als de gekromde ruimtetijd klopt op macroniveau, maar óók op het microniveau van de allerkleinste deeltjes.

Zwaartekracht is de sleutel. Op de schaal van de deeltjes (de Planckschaal) werkt de zwaartekracht niet op de manier zoals we die kennen. De zwaartekracht is zo zwak, dat die eigenlijk wordt ‘overruled’ door andere processen. Niettemin blijft zwaartekracht een niet te negeren invloed behouden. Die moet beschreven worden in een theorie van kwantumzwaartekracht (quantum gravity). Natuurkundigen zoeken die andere vorm van zwaartekracht in de lege ruimte tussen deeltjes. Zelfs die lege ruimte heeft nog een eigenschap: namelijk zwaartekrachtgolven. Is dat dan het niets, the nothing which exploded? Bestaat er wel zoiets als ‘het niets’?

Tijd voor de oerknal
Een vraag die in de lezing ruimschoots aan de orde kwam is: hoe onderzoek je zoiets? Het meeste, aldus Renate Loll, wordt gedaan door krachtige computers. Met behulp van computers kun je opgestelde hypothetische modellen doorrekenen, om erachter te komen of ze stand houden op alle niveaus, micro en macro. En wat blijkt? Om een model te formuleren dat geldig blijft, niet alleen in het universum zoals we het kennen, maar ook op het ‘single point’ waar alles wellicht ooit is begonnen, heb je hoe dan ook het gegeven tijd nodig. Zonder tijd (samenhangend met causaliteit) stort alles in elkaar. Zonder ruimte functioneert alles daarentegen prima. Het antwoord op de vraag of er tijd was voor de oerknal is dus: ja. Maar waaruit bestaat die tijd dan? Hoe werkt ze en waar komt ze vandaan? Zullen we ooit kunnen begrijpen wat tijd vóór de oerknal – tijd zonder ruimte dus – betekent, of gaat dat ons denkvermogen te boven? Dat zijn fundamentele vragen die de komende jaren onderzocht moeten worden.

Kijk de lezing (Engelstalig) hier terug: Was there a “Time” before the Big Bang?

[Verschenen op het Studium Generale nieuwsblog]

Lees meer over: Renate Loll, sterrenkunde, tijd, Studium Generale, lezing

Wat gebeurt er als je een zwart gat in de mond neemt? Een intrigerende vraag die dichter Mustafa Stitou via een gedicht stelt aan het publiek bij de Studium Generale-avond over Zwarte gaten in natuurkunde en poëzie. Ook professor Herman Verlinde, als theoretisch fysicus sinds 1989 verbonden aan Princeton University en speciaal voor deze bijeenkomst naar Utrecht gekomen, wijst op het intrigerende dat uitgaat van ‘zwarte gaten’. Beiden schreven een bijdrage voor het themanummer van literair tijdschrift De Gids dat op deze avond werd gepresenteerd.

Het is misschien an unlikely couple, natuurkunde en poëzie. Een wetenschapper werkt weliswaar vanuit zijn fascinaties, het persoonlijke mag voor hem begin- noch eindpunt zijn. Voor de dichter is het zintuiglijke het uitgangspunt, zo stelde Jeroen van Dongen in zijn inleiding op het thema. Twee verschillende werelden, maar geen wereld van verschil. De poëzie zal zich ook moeten loszingen uit het zuiver persoonlijke en de waarneming, ook zintuiglijk, staat aan de basis van wetenschappelijke kennis. Beelden en metaforen zijn voor zowel natuurkundigen als dichters onmisbaar, zo bleek.

Zelfs een begrip als een ‘quark’ is eigenlijk een metafoor. Niemand heeft ooit een quark gezien of aangeraakt. Het is deel van een wiskundig model dat op dit moment de beste, meest accurate beschrijving vormt van de wereld op de allerkleinste schaal. Verlinde is een specialist op het gebied van de snaartheorie. Hij begon zijn lezing met de geschiedenis van het zwarte gat. Einsteins relativiteitstheorie veronderstelt het bestaan van zwarte gaten, maar pas veertig jaar geleden muntte John Wheeler de term. Het begrip van zwarte gaten is sindsdien goed op gang gekomen. Daarvoor is de relativiteitstheorie niet toereikend – op het niveau van de allerkleinste deeltjes gaat de voorspellende theorie van Einstein niet meer op. Om te beschrijven wat er op de ‘planckschaal’ gebeurt, is de kwantummechanica nodig. En, aldus Verlinde, daarvoor is de snaartheorie onmisbaar.

‘Is het mogelijk dat we zelf misschien zwarte gaten in ons lichaam meedragen?’ was een van de vragen uit het publiek. Dat lijkt vergezocht, maar in zijn lezing ging Verlinde nog veel verder. Daarmee liet hij zien dat de theoretische natuurkunde evengoed als de poëzie niet zonder verbeelding kan. ‘Stel je voor dat deze ruimte, de Aula, een zwart gat is. Wij zijn er allemaal in opgesloten en zullen er nooit meer uit kunnen. Op de horizon van het zwarte gat staat informatie geschreven over wat zich in het gat bevindt. Dus de muren van de Aula dragen piepkleinste deeltjes met informatie over ons bij zich.’ Het was een verontrustende gedachte om tot in de eeuwigheid in de Aula te zitten opgesloten, maar het gedachte-experiment zette zeker de verbeelding aan het werk. Verlinde ging nog een stap verder, want stel dat de informatie die op de muur is gecodeerd de werkelijkheid is en wij slechts nullen en enen? Leven we misschien in The Matrix?

Zet ook je verbeelding aan het werk en lees het artikel van Herman Verlinde en gedichten van Mustafa Stitou, Maria Barnas, Anne Vegter en anderen in het themanummer van De Gids, Het zwarte gat. Of kijk hier de hele avond terug. Meer over sterrenkunde vind je bij het programma Iets nieuws onder de zon.

[Verschenen op het Studium Generale nieuwsblog]

Lees meer over: zwarte gaten, sterrenkunde, Herman Verlinde, poëzie, metafoor, De Gids

Het is alweer meer dan een jaar geleden dat ik de lezingenreeks over sterrenkunde voor Studium Generale presenteerde. Nu is er een filmpje van: vier lezingen in minder dan tien minuten. Ik ben er trots op!



Liever lezen? Hieronder de uitgeschreven tekst.

Het beeld dat bestaat van de sterrenkunde, vindt vaak zijn oorsprong in sciencefiction of bijgeloof: de horoscoop in de krant, ontmoetingen met buitenaardse wezens, reizen door de tijd. Drie vooraanstaande onderzoekers en een wetenschapsjournalist scheiden de 'science' van de 'fiction'. Sterrenkundigen verwachten de komende jaren met hun experimenten en onderzoek antwoorden te vinden op een aantal fundamentele vragen. De publieke belangstelling voor experimenten zoals met de deeltjesversneller in Genève is groot, maar niet onverdeeld positief. Regelmatig steken wilde geruchten de kop op over de gevaarlijke krachten die natuurkundigen ontketenen. Dat de wereld in een zwart gat zou verdwijnen is wetenschappelijke onzin. Maar de wetenschap houdt zich wel bezig met onderwerpen die klinken als een sensationele stuiverroman. In dit filmpje nemen vier vooraanstaande onderzoekers je mee, van de aarde via zon en maan tot aan exoplaneten buiten ons eigen Melkwegstelsel, op weg naar een Theorie van Alles.

Maar laten we beginnen bij het begin. De astronomie was een van de eerste wetenschappen die de mens beoefende, voor navigatie en tijdrekening, maar ook om voorspellingen te doen. Waar komt die oeroude fascinatie vandaan? Welke antwoorden vindt de mens in het onmetelijke heelal? De sterrenkunde raakt ons persoonlijk, zo zegt Govert Schilling, wetenschapsjournalist en autodidact in de astronomie.

Hij stelde een kosmische top drie samen van de meest fascinerende onderwerpen uit de sterrenkunde. Op de derde plaats staan zwarte gaten. Het Zwarte Gat beantwoordt aan wat mensen verwachten van sterrenkunde: het is mysterieus, een beetje eng en totaal onbegrijpelijk. Op de tweede plaats vinden we de oerknal. Daarbij gaat het om vragen die voorheen voorbehouden waren aan religie. De oerknal is de seculiere schepping, de herkomst van alles wat bestaat. Op nummer 1 staat het buitenaardse leven. Buitenaardse wezens zijn een spiegel voor de mens. De fascinatie heeft dus veel te maken met zingeving van het aardse bestaan en met een verlangen naar het sublieme: de huivering die het onmetelijk grote, maar ook het onbegrijpelijk schone oproept, zoals de foto’s die de Hubble-telescoop naar aarde stuurt.

Inmiddels weten we door die telescoop dat ons sterrenstelsel er een is van vele miljarden, en dat onze zon maar een onbeduidend sterretje is. In de ruimte en in de tijd zijn we nietig: vergeleken met een leeftijd van 13,7 miljard jaar van het heelal, is de mens slechts een paar seconden oud.

De belangrijkste hemellichamen voor de aarde en de mens zijn natuurlijk de zon en de maan. Professor Frank Verbunt van de Universiteit Utrecht deed veel onderzoek naar de invloed van zon en maan op de aarde.

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...’. Wist je dat elke seconde zestig miljard neutrino’s door elke vierkante centimeter op aarde razen? Dus ook door je eigen lichaam heen?

De energie van de zon vindt haar oorsprong in kernfusie, die in modellen en formules te vatten is. Maar de formule vertoont een afwijking: bij de kernfusie lijkt er minder massa uit te komen dan erin gaat. Líjkt, want in werkelijkheid komen twee bijna onmeetbare deeltjes mee, de neutrino’s. Die alle kanten op vliegen – ook door jou en mij.

Verbunt vertelt hoe zijn onderzoek samenhangt met allerlei andere vakgebieden, bijvoorbeeld zijn studie naar de maan. Metingen tonen aan dat de maan van de aarde af beweegt. De afstand van de maan is nauwkeurig vast te stellen door middel van spiegels en daarin reflecterende lichtdeeltjes. Sterrenkunde, oceanografie, meteorologie en geologie werken hierbij samen.

De zon en de maan staan relatief dicht bij de aarde; de maan is zelfs op reisafstand voor de mens. Dat is anders bij de planeten van ons zonnestelsel. Laat staan planeten in andere sterrenstelsels, voorbij de Melkweg. Toch wordt daar wetenschappelijk onderzoek naar verricht, zoals naar de kans op buitenaards leven. Wordt fiction nu science? Dr. Daphne Stam van SRON verwacht binnen enkele jaren een doorbraak in het onderzoek naar exoplaneten. Hoe moeten we communiceren met buitenaardse wezens: die vraag wordt inmiddels al gesteld in de wandelgangen van de wetenschap.

Stam vertelt hoe moeilijk het onderzoek naar planeten in outer space is: de planeten kun je niet zien, zelfs niet met de grootste telescoop. Hun bestaan moet je afleiden uit bijvoorbeeld de schommelingen van de ster waaromheen hij draait of doordat het licht van de ster tijdelijk vermindert als de planeet ervoor langs gaat. Overigens zou geen van deze methoden onze aarde zichtbaar maken, mochten aliens bezig zijn met onderzoek naar onze uithoek van het heelal. Stam concludeert: ‘We zijn niet alleen, maar wel eenzaam en onvindbaar.’

Kunnen we nog verder in de sterrenkunde dan buitenaards leven op exoplaneten? Professor Renate Loll is als theoretisch natuurkundige aan de Universiteit Utrecht 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?

Klassieke theorieën van beweging, zoals die van Einstein over zwaartekracht, kunnen niet uitleggen wat op de allerkleinste natuurkundige schaal allemaal gebeurt. Daarvoor is de kwantumtheorie nodig. Door analogieën en met wiskundige methodes probeert de wetenschap een theorie van kwantumzwaartekracht te formuleren – een Theorie van Alles.

Wormgaten stonden niet in de kosmische top drie van Govert Schilling, maar nemen ongetwijfeld de vierde plaats in, mét de vraag of tijdreizen door wormgaten mogelijk is. Wormgaten zijn ook in de zoektocht naar een Theorie van Alles heel belangrijk.

Hoe werkt dat tijdreizen door wormgaten? 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. Kunnen we binnenkort dan ‘back to the future’? Nee, wormgaten bestaan namelijk niet. Niet alleen druisen ze in tegen het heilige principe van natuurkunde, causaliteit, (‘En dan kun je alleen nog maar wanhopen’) juist de kwantumzwaartekracht levert het bewijs dat wormgaten fysische onmogelijkheden zijn.

Uit het experiment met wormgaten komt ook de bizarre aard van het kwantumschuim 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!’ aldus Loll, die even verheugd als verbaasd klinkt.

De theorie die dit alles met elkaar verbindt en geldig is op kleine zowel als grote schaal is nog niet gevonden. Tot die tijd moeten de theoretische natuurkundigen streven naar een zo robuust mogelijke theorie, een algemene theorie met algemene resultaten. De hoop ligt in de toekomst – de hoop op een mooie, unieke, enkelvoudige theorie die alles kan beschrijven. De moderne sterrenkunde begon 400 jaar geleden met de uitvinding van de telescoop. Hoe zien de aarde, de zon en maan, de Melkweg en het heelal, de kwantumtheorie en de gekromde ruimtetijd en over nog eens 400 jaar uit? Waarschijnlijk zullen mensen dan verzuchten over de wetenschappers van nu: ‘Ze hadden het nooit geloofd…’

Meer weten? De vier lezingen in de serie ‘Iets nieuws onder de zon’ zijn terug te zien op www.sg.uu.nl

Lees meer over: sterrenkunde, Studium Generale, lezing, filmpje

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

Supersnaren, exoplaneten, wormgaten: ik ben me voor mijn volgende programma bij Studium Generale aan het inlezen in de moderne astronomie. 2009 is internationaal Jaar van de Sterrenkunde (juist, weer een jaar van...). Sterrenkunde: dat vindt iedereen wel fascinerend. Maar is het ook te begrijpen? Lees verder

Lees meer over: sterrenkunde, Studium Generale