De Gids. Jaargang 174

[p. 911]

Govert Schilling
Voorbij de horizon van het universum

Het is een kraakheldere oktobernacht. De sterren fonkelen feller en heftiger dan ooit. Hoog in het zuiden staat de planeet Jupiter - het helderste licht aan de hemel. Pal boven mijn hoofd herken ik het sterrenbeeld Cassiopeia. Laag in het noorden staat de beroemde Steelpan van de Grote Beer. Het wintersterrenbeeld Orion komt op in het zuidoosten, en de wazige band van de Melkweg strekt zich uit van oost naar west. Een meteoor trekt zijn spoor langs het firmament; in het zuidwesten beweegt een kunstmaan in zijn baan om de aarde. Op de sterrenhemel raak ik nooit uitgekeken.

Frustrerend eigenlijk dat ik altijd maar de helft zie. De hemelkoepel boven mijn hoofd, met al zijn sterren, nevels en sterrenbeelden, is in werkelijkheid een hemel-bol, waarvan de andere helft zich onder mijn voeten bevindt, aan het zicht onttrokken door de aarde zelf. Onder de horizon bevindt zich evenveel uitspansel als erboven. Misschien wel met fellere sterren, mooiere planeten of een rijkere Melkweg - wie weet. Een horizon maakt nieuwsgierig.

Gelukkig is de horizon van de aardse waarnemer geen onoverkomelijke hindernis. Ik hoef maar tien minuten buiten te staan, of ik zie al hoe de hemelkoepel draait - een afspiegeling van de rotatie van de aarde. Terwijl in het westen sterren uit het zicht verdwijnen, verschijnen er in het oosten nieuwe hemellichamen boven de horizon. Als ik maar voldoende geduld heb, krijg ik uiteindelijk veel meer dan de helft van de sterrenhemel te zien. Zelfs de sterrenbeelden die in Nederland nooit zichtbaar zijn, zoals het Zuiderkruis, hoeven niet voorgoed verborgen te blijven. Een reis naar de tropen of naar het zuidelijk halfrond volstaat.

Grensverleggers

Het waren Nederlandse scheepvaarders die rond het jaar 1600 als eersten de zuidelijke sterrenhemel in kaart brachten. Door de wereld-

[p. 912]

zeeën te bevaren verlegden zij hun horizon en openden zij nieuwe vergezichten op het heelal. Niets nieuws natuurlijk, want het verleggen van grenzen en het openen van nieuwe vergezichten is al duizenden jaren het handelsmerk van filosofen, wetenschappers en onderzoekers. Altijd opnieuw omdat een horizon nieuwsgierig maakt.

Neem de ontwikkeling van ons wereldbeeld. Bijna anderhalf millennium hielden we vast aan het geocentrische model van Claudius Ptolemaeus, met de aarde in het midden, omgeven door zon, maan, planeten en, helemaal aan de buitenrand van het goddelijk volmaakte stelsel, een sfeer van ‘vaste sterren’ - een bolvormige horizon waar de mens niet voorbij kon kijken. Halverwege de zestiende eeuw rekende Nicolaus Copernicus echter af met dit klassieke beeld. Volgens Copernicus vormt niet de aarde, maar de zon het centrum van het heelal. De aarde is een van de planeten die een baan rond de zon beschrijven.

In zijn boek Over de omwentelingen der hemelse sferen tekende ook Copernicus buiten de baan van de verste planeet Saturnus nog een ‘sfeer van vaste sterren’, maar in zijn heliocentrische wereldbeeld moest die wel op veel grotere afstand liggen dan bij Ptolemaeus. Als de sterren te dichtbij stonden, zouden we ze vanaf de rondcirkelende aarde in de loop van een jaar een beetje heen en weer moeten zien bewegen. Zo'n ‘reflexbeweging’ was nog nooit waargenomen, dus Copernicus moest wel aannemen dat de buitenste sfeer zich op zeer grote afstand bevond. De horizon werd verlegd, en uiteindelijk opengebroken.

De telescoop, die eind zestiende eeuw in Nederland werd uitgevonden en in 1609 en 1610 voor het eerst voor sterrenkundige waarnemingen werd gebruikt door de Italiaan Galileo Galilei, bracht een compleet nieuwe kosmos binnen de horizon van nieuwsgierige onderzoekers. Dankzij telescopen en andere optische hulpmiddelen kunnen astronomen tegenwoordig sterren zien die te zwak zijn voor het ongewapende oog, of details onderscheiden die normaal gesproken onzichtbaar blijven, of de kosmos waarnemen op golflengten waar het menselijk netvlies ongevoelig voor is, zoals infrarode en ultraviolette straling.

Dat je je voor wat betreft het verleggen en openbreken van horizonnen ook niet moet laten intimideren door filosofen bleek in de negentiende eeuw. De Franse wijsgeer Auguste Comte beweerde in 1835 met grote stelligheid dat de mens nooit de samenstelling van de zon en de sterren zou kunnen achterhalen. Niet veel later ontdekten sterrenkundigen de spectroscopie, die het mogelijk maakte om nauwkeurig te bepalen uit welke elementen ver verwijderde hemellichamen bestaan. Die ontdekking legde de basis voor de astrofysica - een natuurkundi-

[p. 913]

ge beschrijving van objecten en processen in het heelal, waardoor uiteindelijk de evolutie van het universum kon worden opgetekend.

Onbetekenend

Het was natuurlijk niet de eerste keer dat wetenschappers resultaten boekten die kort tevoren nog voor onmogelijk werden gehouden. Wie nieuwsgierig is naar wat zich achter welke horizon dan ook bevindt, moet niet op voorhand de moed opgeven of het hoofd in de schoot leggen. ‘Zeg nooit nooit’ is een van de mantra's van de grensverlegger. Zonder dwarsdenkerij, originaliteit en doorzettingsvermogen hadden Christiaan Huygens, Isaac Newton en Albert Einstein geen revoluties in ons denken teweeggebracht.

Wat hebben die horizonverbreders ons gebracht? Enerzijds een relativerende en tot bescheidenheid stemmende kijk op ons eigen bestaan; anderzijds een waaier van nieuwe, verrassende en indrukwekkende inzichten over de wereld waar we deel van uitmaken. De mens bevindt zich niet op een belangrijke, centrale plaats in een overzichtelijk kleine kosmos, maar wij bewonen een onooglijke zandkorrel in een baan rond een heel gemiddeld sterretje, ergens in een buitenwijk van een van de miljarden sterrenstelsels in het heelal. En we zijn niet alleen nergens te vinden; we komen ook nog maar net kijken: als we de huidige levensduur van het universum terugbrengen tot een jaar, verschijnt Homo sapiens een paar minuten voor middernacht op de eenendertigste december.

Maar hoewel onze eigen rol in die uitgestrekte ruimtetijd onbetekenend lijkt, maken we wel integraal en onlosmakelijk deel uit van het evoluerende heelal, en kunnen we ons eigen bestaan niet los zien van de kosmische gebeurtenissen die zich de afgelopen miljarden jaren hebben afgespeeld. Want in den beginne was er slechts waterstof en helium, en elk koolstofatoom in ons lichaam, elk ijzeratoom in ons bloed, elk calciumatoom in onze botten en elk fluoratoom in ons dna is ooit ontstaan bij een kernfusiereactie in het inwendige van een andere ster. Door onze horizon te verbreden hebben we ontdekt hoe nietig we zijn, maar zijn we ook onze kosmische oorsprong op het spoor gekomen.

Toch zijn wetenschappers in hun speurtocht naar de geheimen van het heelal op andere horizonnen gestuit, die veel absoluter lijken te zijn. Horizonnen die ons onverbiddelijk het zicht ontnemen op wat misschien wel de intrigerendste objecten in de kosmos zijn: zwarte gaten. Zoals in een vorig themanummer van De Gids uiteen is gezet door een stoet van Nederlandse deskundigen (zie De Gids 2010/8),

[p. 914]

zijn zwarte gaten gebieden in de ruimtetijd waar de zwaartekracht zó sterk is dat ze alle materie uit hun omgeving opslokken en dat zelfs licht er niet uit kan ontsnappen.

Maar als er uit de directe omgeving van een zwart gat geen licht kan ontsnappen, is het ook onmogelijk dat wij als buitenstaanders ooit een signaal uit het zwarte gat zullen ontvangen. Informatie uit die mysterieuze omgeving, in welke vorm dan ook, kan ons per definitie nooit bereiken, en het zwarte gat bevindt zich dan ook permanent achter een onneembare horizon. Hoe zwaarder een zwart gat is, des te groter is die bolvormige horizon, en des te groter is het gebied in de ruimte dat voorgoed buiten het bereik van onze waarnemingsinstrumenten ligt.

Kennishorizon

Tegelijkertijd confronteren zwarte gaten ons ook met een ‘kennishorizon’, die vooralsnog moeilijk te slechten lijkt. In het binnenste van een zwart gat, waar de zwaartekracht zo sterk is dat de ruimte verwrongen en de tijd getordeerd raakt, moet de natuur gehoorzamen aan de wetten van Einsteins relativiteitstheorie - de beste beschrijving die we hebben van tijd, ruimte en zwaartekracht - maar tevens aan de wetten van de kwantumfysica, die het gedrag van de microkosmos van elementaire deeltjes beschrijft. Pogingen van natuurkundigen om die twee theorieën tot één allesomvattende beschrijving te integreren, zijn tot nu toe vruchteloos gebleven. Daarmee blijven zwarte gaten ongrijpbaar en onbegrepen.

Hoe frustrerend dat ook mag zijn, theoretici weten er toch weer een positieve draai aan te geven. Want ook al stuit je in het binnenste van een zwart gat op een muur van onbegrip, het herkennen van de ware aard van die muur biedt nieuwe en onverwachte inzichten in een ander deelgebied van de kosmologie. Niet alleen in een zwart gat liggen de relativiteitstheorie en de kwantumfysica met elkaar overhoop; ook de allereerste levensmomenten van het heelal, direct na de oerknal, kunnen we alleen begrijpen wanneer we de beschrijving van ruimte, tijd en zwaartekracht succesvol weten te versmelten met de beschrijving van subatomaire deeltjes en hun wisselwerkingen.

De ‘kennishorizon’ die ons het zicht op zwarte gaten ontneemt, staat ook een beter begrip van de oerknal in de weg. Als we er ooit in slagen om voorbij die horizon te kijken, dan hebben beide raadselachtige concepten geen geheimen meer voor ons. Sterker: misschien is het onherroepelijk achter de horizon verdwijnen van materie die in een zwart gat wordt gezogen in zekere zin wel het ‘spiegelbeeld’ van

[p. 915]

het spectaculaire verschijnen van materie en energie uit de kosmische heksenketel van de oerknal.

Het was die gedachte die de Canadese theoretisch fysicus Lee Smolin op het idee bracht dat er wel eens een fundamentele relatie zou kunnen bestaan tussen zwarte gaten en de oerknal. Zou het mogelijk zijn dat de vorming van een zwart gat in ons eigen heelal gelijkstaat aan het ontstaan van een compleet nieuwe kosmos in een geheel andere dimensie? Zou ons universum op die manier een gigantisch groot aantal dochter-heelallen hebben kunnen voortbrengen, en zelf ook ‘ter wereld’ zijn gebracht door een moederheelal met evenzovele nakomelingen? Maakt ons eigen universum onderdeel uit van een kosmische genealogie?

Multiversum

Dat ons heelal slechts een klein bestanddeel is van een kolossaal Multiversum lijkt misschien vergezocht en speculatief. Aan de andere kant: eeuwenlang meende de mens dat de aarde uniek is, maar nu weten we dat er acht planeten rond de zon draaien. Lange tijd ging iedereen ervan uit dat de zon uniek is, maar we kennen haar tegenwoordig als een van de talloze miljarden sterren in het Melkwegstelsel. En minder dan een eeuw geleden waren veel astronomen er nog van overtuigd dat ons Melkwegstelsel uniek is, terwijl het in werkelijkheid een van de honderden miljarden sterrenstelsels in het heelal is. Misschien moeten we leren van de geschiedenis en die gedachtefout niet opnieuw maken.

Daar komt bij dat er uit allerlei richtingen steeds meer theoretische aanwijzingen zijn dat we eigenlijk wel in een Multiversum moeten leven. Of Smolin gelijk heeft met zijn moeder- en dochterheelallen moet nog blijken, maar de gedachte dat ons universum niet uniek is, wordt steeds serieuzer genomen. Wellicht volgen verschillende heelallen elkaar in de tijd op, of bestaan ze naast elkaar in een soort omhullende ‘hyperruimte’. Of misschien bevat de eindeloosheid van het Multiversum verschillende kleinere ‘domeinen’ zoals het onze, elk met zijn eigen wetten, bestanddelen en mogelijkheden. Zelfs de populaire snaartheorie, die een nieuwe beschrijving geeft voor elementaire deeltjes en gezien wordt als een kanshebbende kandidaat voor de langgezochte ‘theorie van alles’, lijkt voor te schrijven dat er een onvoorstelbaar groot aantal parallelle heelallen moet bestaan.

Als we de ‘kennishorizon’ van de oerknal niet weten over te steken, zullen we dit soort exotische ideeën en theorieën dan ooit kunnen toetsen, onderbouwen of eventueel weerleggen? Dat is zeker niet uit-

[p. 916]

gesloten, maar gemakkelijk zal het niet gaan, om de eenvoudige reden dat die parallelle heelallen en die andere domeinen niet waarneembaar zijn. Zelfs met de grootste en krachtigste telescopen ter wereld kan de mens niet doordringen tot het oneindige, en stuiten we al op relatief kleine afstand van zon en aarde op een horizon van een geheel ander karakter.

Het Andromedastelsel, de naaste grote buur van ons eigen Melkwegstelsel, staat op een afstand van ongeveer twee miljoen lichtjaar, wat betekent dat het licht (met een snelheid van driehonderdduizend kilometer per seconde) er twee miljoen jaar over doet om die afstand af te leggen. Andere sterrenstelsels in ons deel van de uitgestrekte kosmos staan op afstanden van tientallen of honderden miljoenen lichtjaren. Maar verder kijken dan een kleine veertienduizend miljoen lichtjaar - ‘slechts’ zevenduizend keer de afstand tot Andromeda - is per definitie onmogelijk. Om precies te zijn: op een afstand van 13,7 miljard lichtjaar stuiten sterrenkundigen op de ondoordringbare horizon van de tijd.

Waarnemingshorizon

Hoe onwaarschijnlijk groot het uitdijende heelal ook is - misschien strekt het zich wel letterlijk tot in het oneindige uit -, geen enkel signaal heeft langer dan 13,7 miljard jaar ongehinderd door die ruimte kunnen bewegen. De reden: in die kosmische prehistorie, kort na de oerknal, waren dichtheid en temperatuur in het heelal zó hoog dat de gehele ruimte in feite gevuld was met een heet, ondoorschijnend gas. Pas een paar honderdduizend jaar na die zinderende beginfase was het heelal zover afgekoeld dat licht zich ongehinderd kon voortplanten door de ruimte.

Simpelweg betekent dit dat geen enkele lichtstraal, geen enkel informatiedragend signaal, langer dan 13,7 miljard jaar onderweg kan zijn geweest. Anders gezegd: geen enkel signaal kan sinds de geboorte van het heelal een afstand van meer dan 13,7 miljard lichtjaar hebben afgelegd. Het is heel goed denkbaar (en zelfs vrijwel zeker) dat er zich op afstanden van tientallen of honderden miljarden lichtjaren ook sterrenstelsels, sterren en planeten bevinden, maar het licht van die extreem ver verwijderde objecten kan ons nog nooit hebben bereikt. Het heelal leeft gewoon nog niet lang genoeg.

Deze fundamentele waarnemingshorizon maakt het per definitie onmogelijk dat we ooit het hele heelal kunnen bestuderen, laat staan andere domeinen of parallelle universa. Deze ‘horizon van de tijd’ laat zich niet verleggen of openbreken. En zolang we niet in staat zijn om

[p. 917]

ons van het ene moment op het andere te verplaatsen van het hier en nu naar een punt ergens dicht bij die rand van het waarneembare heelal (een punt dat zich op zijn beurt in het midden van een eigen waarnemingshorizon bevindt), moeten we genoegen nemen met een beperkte kijk. Terugkijken tot vlak na de oerknal betekent tevens dat we de einder van de kosmos hebben bereikt.

Als ik komende week weer een keer op een heldere nacht van de aanblik van de sterrenhemel geniet, vallen vooral de maan en de reuzenplaneet Jupiter op - twee van de dichtstbijzijnde hemellichamen. Ook de honderden fonkelende sterren aan het firmament staan op afstanden van meestal niet meer dan enkele tientallen lichtjaren - directe buurtgenoten van de zon in een kolossaal Melkwegstelsel. Omdat ik precies weet waar ik moet kijken, kan ik met een beetje moeite een langgerekt, wazig lichtveegje ontwaren in het sterrenbeeld Andromeda: een sterrenstelsel als het onze, op twee miljoen lichtjaar afstand, in zekere zin nog steeds in onze kosmische achtertuin. De rest van het heelal is uitsluitend zichtbaar met behulp van telescopen; om de allerverste sterrenstelsels te bestuderen zijn de grootste sterrenwachten ter wereld nodig. Maar hoe groot en krachtig onze optische hulpmiddelen ook zijn, het overgrote deel van de kosmos bevindt zich altijd en eeuwig achter een onneembare horizon.

Voor mijn verwondering over het universum maakt het niet veel uit. En voor de bevrediging die astronomen halen uit het ontraadselen van het zichtbare deel van de kosmos ook niet. Als je je eenmaal realiseert dat mens en mensheid sowieso niet om de einder van dood en uitsterving heen kunnen, weet je dat er in dit leven voor elk individu - en voor Homo sapiens als denkende soort - ruim voldoende te ontdekken valt.