Originele titel: Zurück vor den Urknall
Martin Bojowald
Korte Inhoud
Sinds Einstein was de 'oerknal' een grens waar geen natuurkundige ook maar in de buurt kon komen. Zelfs voor de algemene relativiteitstheorie geldt dit tijdstip als 'singulariteit', waar berekeningen tekortschieten en de natuurkundige wetmatigheden hun geldigheid verliezen. Maar nu is het de jonge Duitse natuurkundige Martin Bojowald gelukt inzicht te geven in de tijd voor de oerknal. Wat was er voor de oerknal? Hoe zag het heelal er toen uit? En wat betekent het voor de toekomst? Een spectaculair boek, dat onze voorstelling van het heelal en zijn begin totaal verandert.
De jonge Duitse natuurkundige Martin Bojowald heeft in de vakwereld opzien gebaard, door met een reeks vergelijkingen niet alleen in de buurt van de oerknal te komen, maar deze zelfs te passeren. Plotseling kan inzicht worden verkregen in wat zich vóór de oerknal afspeelde. Dat biedt perspectief op een verbluffende wereld met negatieve tijd, 'omgevouwen' ruimtelijke toestanden en een heelal dat zich samentrekt om na de 'oerknal' weer uit te dijen.
Uittreksel
Blz. 9: Inleiding
Hoe abstracter de waarheid die je onderwijzen wilt,
des te meer moet je de zinnen tot haar verleiden.
- Friedrich Nietzsche: 'Jenseits von Gut und Böse' -
De afgelopen eeuw heeft het natuurkundig onderzoek grote vooruitgang geboekt en is er een uitstekend theoretisch bouwwerk geconstrueerd, bestaande uit de kwantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie. Hiermee hebben we de natuur zowel op grote als op kleine schaal leren begrijpen - van het complete heelal in de kosmologie tot de afzonderlijke moleculen, atomen en zelfs elementaire deeltjes van de kwantumtheorie. Dit heeft geresulteerd in een precieze beschrijving en een diepgaand begrip van velerlei verschijnselen, die op spectaculaire wijze door waarnemingen zijn bevestigd. De laatste jaren heeft vooral de kosmologie van het vroege heelal hiervan geprofiteerd.
Deze wetenschappelijke vooruitgang komt vooral tot uiting in de technologische aspecten van bijna alle onderdelen van ons dagelijks leven. Maar ook blijkt onmiskenbaar dat delen van het wetenschappelijk onderzoek steeds vaker raken aan vraagstukken die van oudsher op het terrein van de filosofie liggen. (De natuurkundige en filosoof Abner Shimony gebruikt in dit verband terecht het met opzet tegenstrijdige begrip 'experimentele metafysica'.) Sinds Aristoteles heeft de theorievorming tot doel inzicht te verkrijgen in algemene feiten en hun oorzaken te leren begrijpen, in plaats van het verzamelen van losse weetjes.
De filosofie daarentegen vraagt naar de diepste gronden of beginselen van het zijn. In dit opzicht kan de samensmelting van enkele natuurkundige en filosofische vraagstellingen beslist worden toegeschreven aan de wetenschappelijke vooruitgang. Als de natuurkunde zich met vraagstukken als deze gaat bezighouden, komt zij ook in een positie waarin ze kan bijdragen aan discussies van veel algemenere en verder strekkende betekenis. Voor de combinatie van kosmologie en kwantumtheorie is de belangrijkste vraag die naar het ontstaan en de beginstadia van onze wereld - een kwestie die de mensheid al sinds het prille begin van de filosofie bezighoudt.
Andere voorbeelden zijn, zowel in de kwantumtheorie als in de algemene relativiteitstheorie, de invloed van de waarnemer op zijn wereld en de vraag wat men überhaupt waarnemen kan en wat wellicht niet. In de kosmologie heeft de introductie van natuurkundige methoden geleid tot empirisch verifieerbare wereldbeelden. Het oerknalmodel van het heelal berust zowel op de beschrijving van ruimte, tijd en zwaartekracht van de algemene relativiteitstheorie als op de kwantumtheorie, die van belang is voor het begrijpen van de eigenschappen van de materie in het jonge heelal. Het resultaat van dit alles is een spectaculaire verklaring voor het achtereenvolgens ontstaan van atoomkernen, atomen en complexere materievormen - tot aan sterrenstelsels toe - vanuit een extreem hete begintoestand.
Juist daar komen echter ook de grenzen van het gevestigde wereldbeeld in zicht. Ondanks alle successen geeft de algemene relativiteitstheorie samen met de kwantumtheorie, zoals die momenteel wordt toegepast, geen volledige beschrijving van het heelal. Als je de wiskundige vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie oplost om een model van de evolutie van het heelal te verkrijgen, kom je steeds uit bij een tijdstip - de zogeheten oerknalsingulariteit - waarop de temperatuur van het heelal oneindig groot was. Dat het heelal in de oerknalfase zeer heet was, is geen verrassing: het uitdijende heelal was toen immers veel kleiner en compacter dan nu, wat betekent dat de temperatuur enorm veel hoger moet zijn geweest. Maar als een natuurkundige theorie uitmondt in het resultaat 'oneindig', betekent dat gewoon dat de theorie geforceerd is toegepast. Haar vergelijkingen worden op dat moment gewoon zinloos. In het geval van het oerknalmodel betekent dit, dat je dit punt niet als het begin van de wereld kunt beschouwen, hoewel het wel vaak als zodanig wordt voorgesteld. Een tijdstip waarop een wiskundige vergelijking 'oneindig' als resultaat geeft, is niet het begin (of het einde) van de tijd. Het is gewoon een punt waar de theorie haar beperkingen toont. Ondanks alle successen op andere terreinen moet de theorie, gevormd door de combinatie van de algemene relativiteitstheorie en de kwantumtheorie van de materie, worden uitgebreid.
De oorzaak van dat probleem zit hem in de onvoltooidheid van de revolutie die zich in het natuurkundige onderzoek van de afgelopen eeuw heeft voltrokken. De kwantumtheorie wordt weliswaar gebruikt voor de beschrijving van de materie in het heelal, maar kan niets met de zwaartekracht of ruimte en tijd zelf. Die laatste zijn het domein van de algemene relativiteitstheorie, die grotendeels losstaat van de kwantumtheorie. Een geslaagde combinatie van kwantumtheorie en algemene relativiteitstheorie op het gebied van ruimte en tijd zou de tot nog toe bekende theorie aanzienlijk uitbreiden. Zo'n combinatie, de kwantumzwaartekracht, is vooral van belang voor de beschrijving van de hete oerknalfase van het heelal en zou, zo hoopt men, verklaren wat er zich in het oneindigheidspunt van de oerknalsingulariteit heeft afgespeeld. Was dat werkelijk de oorsprong van wereld en tijd, of ging er toch nog iets aan vooraf? En als er dan al iets vóór de oerknal was, wát dan?
Helaas blijkt de kwantumzwaartekracht uiterst gecompliceerd. De algemene relativiteitstheorie en de kwantumtheorie vereisen een voor de toenmalige natuurkunde ongekend zware wiskundige inspanning. En de daarbij gebruikte wiskundige methoden zijn ook nog eens zeer verschillend. Voor de combinatie van deze natuurkundige theorieën moeten de onderliggende wiskundige lichamen worden samengevoegd, wat de moeilijkheidsgraad extreem vergroot. Daarom is er, ondanks tientallen jaren van onderzoek en grote inspanningen van talrijke wetenschappers, nog steeds geen volledige theorie van de kwantumzwaartekracht beschikbaar. Wat we vooral de afgelopen jaren wél gevonden hebben, zijn talrijke veelbelovende aanwijzingen voor de eigenschappen van zo'n theorie, die al geanalyseerd kunnen worden. De situatie is, zoals zo vaak in de wetenschap, vergelijkbaar met de begintoestand van een legpuzzel: je kunt je misschien al wel een voorstelling maken van het uiteindelijke plaatje, maar zekerheid heb je nog niet. Ons huidige plaatje geeft een indruk van wat de mogelijkheden van een uitgebreide natuurkundige theorie zijn: die kan ons laten zien wat zich tijdens en misschien zelfs vóór de oerknal mogelijk heeft afgespeeld. Met die theorie zouden we dus een kijkje kunnen nemen in de prille oertijd van ons heelal en voor het eerst kunnen analyseren hoe het is ontstaan.
In dit boek worden zowel de meest recente theoretische resultaten als de voor de nabije toekomst geplande waarnemingen toegelicht. En daarbij zal ook worden aangegeven hoe radicaal deze ons wereldbeeld kunnen veranderen. In het bijzonder de luskwantumzwaartekracht, een van de varianten die voor de combinatie van algemene relativiteitstheorie en kwantumtheorie worden overwogen, heeft een eerste aanzet gegeven tot een niet-singuliere beschrijving van de oerknal.
Recensie
door
Tsenne Kikke
De jonge Martin Bojowald (1973) heeft na zijn studie gewerkt bij het Max Planck Instituut voor Zwaartekrachtsfysica in Potsdam (Duitsland) en is nu Assistant Professor aan de Pennsylvania State University in de VS. Zijn onderzoeken van de luskwantumzwaartekracht en de kosmologie hebben de internationale vakliteratuur gehaald. Er is over bericht in onder meer New Scientist, Scientifi c American, Bild der Wissenschaft en Nature.
De auteur heeft zelf bijdragen geleverd aan de theorievorming rond de Big Bang. Hij legt in dit boek uit wat de wiskundige moeilijkheden zijn bij het begrijpen van dit ontstaan van het heelal, moeilijkheden die samenhangen met het combineren van quantummechanica en algemene relativiteitstheorie. Hoewel dit uitleggen zonder formules gebeurt, is het verhaal ingewikkeld. Dat komt ook door het enigszins plechtstatige taalgebruik en het wat pedante strooien met citaten van filosofen. De titel kan uiteraard niet worden waargemaakt: in dit nog speculatieve vakgebied kan men alleen wiskundige modellen schetsen voor de mogelijke gang van zaken rond de Big Bang, en zeker niet vertellen hoe het heelal er voor de oerknal uitzag.
De vraag is dus: hoe is het universum ontstaan? Volgens Martin Bojowald heeft de oerknal dus nooit plaatsgevonden. Althans, nooit in de vorm die wetenschappers op aarde tientallen jaren lang verondersteld hebben. Bojowald en enkele andere wetenschappers zijn met de LQG, voluit de Loop Quantum Gravity, tot het moment vóór de oerknal gekomen. Voorheen kwam men nooit verder dan ruim tien seconden na de 'oerknal', maar computersimulaties zijn nu bij het punt t=0 beland. Tot de grens van t=10-45 (ook wel bekend als de kwantumtijd) waar men voorheen telkens belandde, zijn alle natuurwetten volgens de kwantummechanica nog geldig.
Men heeft t=0 nog niet eerder bereikt, omdat je dan belandt bij een oneindig klein volume, met extreem hoge temperaturen en niet voor te stellen grote dichtheden. Maar wat vreemd is, is dat de computersimulaties van Bojowald geen oneindig volume aantonen. De meest logische verklaring zou zijn dat het universum waarin we nu leven één van de vele universa is van een hele reeks universa. Wetenschappers denken nu dus dat er voor het begin van dit universum een ander heelal bestond. Maar als er daadwerkelijk een universum aan het huidige universum is voorafgegaan, zal de informatie uit dit vorige heelal nooit te achterhalen zijn. Of toch wel?
De oerknal heeft dus mogelijk nooit plaatsgevonden als een grote knal. Het vorige universum zou zijn gaan krimpen, ook wel de 'Big Crunch' genoemd, en vervolgens over zijn gaan lopen naar een ander heelal, het heelal waar we ons nu in bevinden. Het is dan geen verkeerde gedachte dat ons universum over een nog onbekende tijd hetzelfde te wachten staat. Ook versterkt dit onderzoek van Bojowald het idee dat er meerdere universa bestaan.
|