De bouwstenen van de schepping

Een zoektocht naar het allerkleinste

[p. 244]

30 Heelalkunde

Toen ik de eerste versie van dit boek schreef, vond ik nog dat de leer omtrent het ontstaan van het heelal gewoon tot een ander vak behoorde: de sterrenkunde, en als het allereerste begin van ons universum al iets van doen heeft met de elementaire-deeltjestheorie, dan moest dat nog voornamelijk tot de sciencefiction worden gerekend. Thans echter wordt algemeen erkend dat de wereld van het allerkleinste en de wereld van het allergrootste nauw met elkaar zijn verweven zijn.

Natuurlijk kunnen wij ons de vraag stellen waar al die sterren en sterrenstelsels vandaan komen, hoe is alle materie ontstaan waar deze uit zijn gevormd. Waarom zijn er grote stukken van het ons omringende heelal praktisch helemaal leeg? Maar er zijn nog indringendere vragen. Waarom is de nachtelijke hemel zwart? Als er oneindig veel sterren zouden bestaan dan zou er in iedere richting waar je kijkt wel een ster moeten zitten, en dan zou de hemel fel wit zijn! In feite zouden wij op aarde door al dat licht verschroeien.

Een van de belangrijkste, en ook meest verbazingwekkende, vragen is: waarom is ons heelal zo verschrikkelijk groot, en hoe komt het dat het zo lang heeft kunnen blijven bestaan? Als je namelijk ‘zo maar’ probeert een model te beschrijven voor het ontstaan van het heelal, dan ontdek je dat het niet eenvoudig is goede wetten te formuleren die het heelal zo groot laten worden als het nu is.

Ook op deze punten roeren de snarentheoretici zich: hun theorie zou alles moeten kunnen verklaren, dus ook dit soort vragen kunnen beantwoorden - maar dat gaat nog van geen kant. Wel heeft de sterrenkunde zelf enorme vorderingen gemaakt. Met nieuwe generaties telescopen kan men nu veel verder in het heelal kijken dan nog maar pakweg tien jaar geleden. De vraag omtrent de kleur van de hemel is inmiddels wel be-

[p. 245]

antwoord: de sterrenstelsels verwijderen zich van elkaar, en de verst weg gelegen stelsels verwijderen zich met een zo grote snelheid dat het licht dat zij uitzenden zeer wordt verzwakt. Bovendien: hoe verder we kijken, hoe meer we naar het verleden kijken, want het licht doet er lang over om ons te bereiken. Als we verder dan circa dertien miljard lichtjaren om ons heen kijken zien we geen sterrenstelsels meer, want dertien miljard jaar geleden bestonden die nog niet. Wel was er licht, maar dat is nu zo verzwakt dat de nachtelijke hemel heel donker is - niet zwart, maar donker.

Ons heelal moet zijn ontstaan door een grote knal, de oerknal. Ook hier is men het wel over eens. Maar wat gebeurde er toen precies? Om die vraag te kunnen beantwoorden moeten we allereerst de natuurwetten kennen, en de wetten waar het om gaat, dat zijn de wetten van de elementaire deeltjes. We proberen terug te rekenen naar het begin. Hoe verder je teruggaat, hoe hoger de temperatuur was in het heelal. Door die hoge temperatuur moeten de materiedeeltjes in het heelal heel hard tegen elkaar gebotst hebben. Vanaf het moment dat die botsingsenergie vergelijkbaar was met, of lager dan, de energieën waarvoor het standaardmodel aangeeft wat er kon gebeuren, heeft men een betrouwbaar beeld van de geschiedenis van het heelal.¹ Deze periode begint wanneer het heelal ongeveer een tienmiljardste seconde oud is.

Op dat moment had het heelal al heel veel structuur. Het heelal was veel homogener dan nu, en het was klein, wellicht slechts enkele centimeters, maar er zat al wel veel materie in; de druk was onvoorstelbaar hoog. Heel kleine variaties in de dichtheid zouden later leiden tot de sterren en de sterrenstelsels. Vragen die kosmologen zich nu stellen zijn: hoe is die materie erin ontstaan, waarom was er meer materie dan antimate-

1 Zie bijv. S. Weinberg, ‘The First Three Minutes’, Basic Books Inc., publ., New York 1977, isbn: 0-465-02435-1.

[p. 246]

rie (oorspronkelijk slechts een verschil van een deel op het miljard), en hoe zijn die dichtheidsvariaties totstandgekomen? Waarom waren die zo klein?

Een essentieel idee was geopperd door Alan Guth: We moeten aannemen dat vóór die ene tienmiljardste seconde het heelal een periode heeft gekend die we ‘inflatie’ noemen. Gedurende die ‘lange’ tijd van een tienmiljardste seconde waren onze wetten ‘schaal-invariant’. U herinnert zich het begin van dit boek, waarin ik betoogde dat de natuur in onze wereld niet precies dezelfde wetten volgt als je een schaalvergroting beschouwt.

Welnu, gedurende zekere tijd moet dit wél zo geweest zijn. Het gigantische aantal atoomdeeltjes dat ons heelal nu kent kan alleen op die manier zijn ontstaan.

Dit nu is een uiterst belangrijke mededeling voor de deeltjesfysici, want dit wisten we nog niet. Het is feitelijk een aanwijzing die zegt dat ‘de grote woestijn’ toch betrekkelijk structuurloos is. Helaas is het nog verschrikkelijk moeilijk de gebrekkige gegevens die we hebben zo nauwkeurig te analyseren dat we de details van de woestijnwereld zouden kunnen achterhalen, maar er worden vorderingen gemaakt. Vanuit luchtballonnen en satellieten wordt nu de nachtelijke hemel nagemeten, en de temperatuurfluctuaties van de achtergrondstraling worden uiterst nauwkeurig vastgelegd. Weliswaar ontstond deze straling ‘pas’ toen het heelal al 300.000 jaar oud was, maar ze zegt toch heel veel over die mysterieuze dichtheidsfluctuaties van het allereerste begin. Die dichtheidsfluctuaties ontstonden als zuivere quantumfluctuaties! Het blijft voor mij wonderbaarlijk dat hele melkwegstelsels ontstaan kunnen zijn door een quantumonzekerheid in de dichtheid van een pril heelal-in-wording. Hopelijk zullen deze metingen en berekeningen ons verdere aanwijzingen verschaffen over de natuurwetten die toen van kracht waren.

Ook andere belangrijke aanwijzingen bereiken ons vanuit de

[p. 247]

diepten van het heelal. Al eerder noemde ik de constatering dat er materie aanwezig lijkt te zijn die geen licht uitzet en niet meedoet met de processen waardoor sterren en planeten ontstaan; we weten nog niet op welke wijze deze materie aan het standaardmodel zal moeten worden toegevoegd. Dit is de zogenaamde ‘donkere materie’.

Maar er lijkt nog meer te zijn. Sommige sterren in het heelal lijken ouder te zijn dan de leeftijd van het heelal zelf, althans als je aanneemt dat de expansiesnelheid van het heelal ongeveer constant gebleven is. Deze discrepantie in de theorie voor het heelal verdween toen men uit waarnemingen van heel ver weg gelegen stelsels afleidde dat de expansiesnelheid van het heelal thans groter is dan in het begin: het heelal versnelt zich. Dit kan alleen als er ook nog ‘donkere energie’ aanwezig is; in wezen is dit een effect van de lege ruimte zelf op de gravitatiekrachten in het heelal, een term in Einsteins vergelijking voor de zwaartekrachtwet die Einstein ‘kosmologische constante’ noemde. De aanwezigheid van deze extra term is voor ons erg mysterieus. In onze ultieme theorie moet er een verklaring voor gevonden worden. Onze moeilijkheid is dat we het hier hebben over een krommingseffect van de ruimte dat pas over miljarden lichtjaren merkbare afwijkingen veroorzaakt, terwijl wij alleen kunnen uitrekenen hoe deeltjes van subatomaire afmetingen kromming in ruimte en tijd veroorzaken. Er is hier sprake van een gigantisch ‘fijnregelingsprobleem’.