En wat dat betekent voor de toekomst.

Stephen Hawking streefde naar eigen zeggen naar “een volledig begrip van het universum, waarom het is zoals het is en waarom het überhaupt bestaat.” Dergelijke vragen voeren ons terug naar de oorsprong: het begin van alles, de oerknal. Hawking deed er intensief onderzoek naar en in 1983 presenteerde hij samen met de Amerikaanse natuurkundige James Hartle het no-boundary-model. Een quantummodel dat beschrijft hoe de tijd zoals wij die vandaag de dag kennen en ervaren, met de oerknal het leven zag. “Een wiskundig zeer elegante en zeer veelbelovende theorie,” aldus natuurkundige Thomas Hertog, verbonden aan de KU Leuven. Maar ironisch genoeg bracht die ‘elegante theorie’ ons niet direct dichter bij een beter begrip van ons eigen universum. “Jarenlang bleef onduidelijk wat voor soort universum er volgens het ‘no-boundary-model’ uit de oerknal rolde,” vertelt Hertog. “Maar geleidelijk aan realiseerden we ons dat het model niet één, maar een oneindig aantal universa beschreef. Kosmologen noemen dat het multiversum: een verzameling universa die naast elkaar bestaan. Het leidde tot een paradox, want het betekende dat het model weinig kon vertellen over ons eigen universum, dat slechts één universum uit een oneindige set universa is.” Het zal niemand verbazen dat dat Hawking niet lekker zat. “Hawking was niet tevreden met die stand van zaken,” vertelt Hertog. “‘Laten we proberen het multiversum te temmen’, zo vertelde hij mij een jaar geleden.” En zo geschiedde. Hawking en Hertog sloegen de handen ineen. Het mondde uit in – naar later zou blijken – het allerlaatste wetenschappelijke paper waar Hawking zijn medewerking aan verleende: ‘A Smooth Exit from Eternal Inflation‘.

Ons universum: een bubbel in een eeuwig groeiende zee gevuld met bubbels? Afbeelding: TheDigitalArtist / Pixabay.

Inflatie
Om te begrijpen wat Hawking en Hertog in hun paper hebben gedaan en waarom dat zo belangrijk is, moeten we terug naar het begin. Letterlijk. Terug naar de oerknal waaruit ons universum en wellicht vele andere universa zijn voortgekomen. Aangenomen wordt dat er kort na de oerknal sprake was van inflatie, oftewel een supersnelle uitdijing. In een fractie van een seconde zou het universum ontzettend groot zijn geworden. Door de jaren heen hebben natuurkundigen verschillende modellen ontwikkeld die deze inflatie beschrijven en de meeste van die modellen voorspellen een inflatie die nooit stopt (eternal inflation). Maar gek genoeg zien we dat niet terug in ons eigen universum; dat dijt nog wel uit, maar lang niet zo snel als kort na de oerknal het geval was. Zitten de modellen er dan naast? Is de inflatie toch gestopt? Nee, zo stellen de meeste onderzoekers, de inflatie gaat door. Alleen gebeurt dat niet in, maar buiten ons universum. De modellen geven aan dat er ten tijde van de inflatie – dus kort na de oerknal – bubbels in de ruimtetijd ontstonden en dat elk van die bubbels een universum met zijn eigen natuurwetten herbergt. In sommige van die bubbels – zoals de onze – zou de inflatie gestopt zijn, terwijl deze in andere is doorgegaan. Bovendien zou er ook tussen de bubbels sprake zijn van een continue inflatie, wat betekent dat er continu ruimte ontstaat tussen bubbels waarin weer nieuwe bubbels – oftewel universa met compleet andere natuurwetten – kunnen ontstaan. Het resultaat is een gigantisch multiversum. “Sommige onderzoekers denken zelfs dat er zo oneindig veel universa ontstaan die bovendien oneindig gevarieerd zijn. Een multiversum waarin dus eigenlijk alles kan.” Het no-boundary-model van Hawking en Hartle in haar oorspronkelijke vorm onderschrijft dat. En dat is een probleem. “Je wilt graag een model van de oerknal hebben dat iets zegt over ons universum,” legt Hertog uit. Maar in plaats daarvan leek volgens no-boundary-model alles mogelijk te zijn. “Het is oneindig gevarieerd, alles kan. En daardoor kun je het niet testen, want het vertelt ons heel weinig over ons eigen universum.”

“In het recente paper van Hawking en Hertog verdwijnt het multiversum niet, maar het wordt wel flink gereduceerd”

Snaartheorie
Met het laatste paper dat Hawking samen met Hertog schreef, komt daar echter enigszins verandering in. “Dit laatste paper is eigenlijk een poging om het oorspronkelijke quantummodel van de oerknal dat Hawking en Hartle ontwikkelden op een rigoureus wiskundig fundament te plaatsen,” vertelt Hertog. “Eigenlijk hebben we het oorspronkelijke model opnieuw geformuleerd door gebruik te maken van de snaartheorie, die er in de jaren tachtig (toen Hawking en Hartle hun quantummodel presenteerden, red.) nog helemaal niet was. En in die nieuwe formulering verdwijnt het multiversum niet, maar het wordt wel flink gereduceerd: het resulteert in een veel beperkter scala aan universa.” Oftewel een multiversum waarin toch niet alles kan. We maken ons heelal weer wat meer uniek. “En dat theoretische feit maakt het multiversum – als het klopt – testbaar.” Zover zijn we nu echter nog niet, zo benadrukt Hertog. “De kern is dat dit paper ons een stap dichter bij een wiskundig gezond model van het multiversum brengt. En op basis van zo’n model zouden we dan voorspellingen kunnen formuleren of afleiden die in ons heelal getoetst kunnen worden.”

Nieuwe vraagstukken
Een gereduceerd multiversum brengt ons dichter bij de mogelijkheid om het bestaan ervan te toetsen. Maar het levert ook problemen op. Neem bijvoorbeeld het vraagstuk van de kosmologische constante. Dit is een onzichtbare energie in het heelal (we noemen deze nu: donkere energie) die afstotend werkt en kan verklaren waarom het heelal uitdijt. Onderzoek wijst uit dat de kosmologische constante kleiner is dan de theorie voorspelt. Veel onderzoekers verklaren dit nu middels het multiversum: er zijn heel veel universa met elk hun eigen natuurwetten en kosmologische constantes en we hebben gewoon geluk dat die kosmologische constante in ons universum zo laag uitvalt dat er sterren, planeten en uiteindelijk ook leven kon ontstaan. Maar in een gereduceerd multiversum neemt de kosmologische constante niet alle mogelijke waarden aan. “En dus kun je de veelheid van universa niet gebruiken als verklaring voor onze kleine kosmologische constante,” aldus Hertog. Het betekent dat we – als het werk van Hawking en Hertog klopt – op zoek moeten naar een nieuwe verklaring hiervoor.

Opmaat naar meer
Het paper van Hawking en Hertog kan dus wel eens de opmaat zijn naar de ontdekking van het multiversum. Maar hoe gaat die ontdekking eruit zien? Wie hoopt dat deze gepaard gaat met het direct waarnemen van parallelle werelden, zal van een koude kermis thuiskomen, zo voorspelde professor Daniel Baumann onlangs in een interview met Scientias.nl. “Ik ben niet zo hoopvol dat we andere universa gaan observeren. Dus ik hoop dat we een theorie kunnen ontwikkelen waarvan verschillende aspecten getest kunnen worden en waaruit blijkt dat het multiversum een onvermijdelijke consequentie van inflatie en snaartheorie is.” Hertog denkt er net zo over. “Dit is in de eerste plaats een theoretische, wiskundige zoektocht.” Maar hij denkt wel dat we in een later stadium in ons eigen heelal effectief overtuigend bewijs kunnen vinden voor inflatie en dus voor de multiversum theorieën van de oerknal waaruit inflatie voortkomt. “Hierbij denk ik in het bijzonder aan signalen in de kosmische achtergrondstraling veroorzaakt door zwaartekrachtsgolven die gepaard gaan met inflatie (zie kader, red.).”

Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd die we sinds kort kunnen detecteren. Aangenomen wordt dat de inflatie kort na de oerknal gepaard ging met zwaartekrachtsgolven die zich nog altijd voort haasten door het universum. “Die zijn al dertien miljard jaar onderweg en hebben dus enorme golflengten. Het betekent dat we ze niet waar kunnen nemen met LIGO of VIRGO,” vertelt Hertog, verwijzend naar observatoria waarmee in de afgelopen jaren meerdere zwaartekrachtsgolven zijn ontdekt. “Daarvoor hebben we veel grotere detectoren, zoals LISA, nodig.” Maar die zwaartekrachtgolven laten ook sporen na in de kosmische achtergrondstraling. Ze hebben een effect op de polarisatie van die straling. En we hebben de technologie om dat effect op te sporen.” Eerder werd bijvoorbeeld met Planck – tevergeefs – naar sporen van die zwaartekrachtsgolven gezocht. “Maar de opvolgers van Planck komen eraan.”

Hertog kan echter niet vaak genoeg benadrukken dat we nog niet zover zijn. “Eerst moeten we modellen van de oerknal een rigoureus wiskundig fundament geven. Dan kunnen we voorspellingen doen. En dan kunnen we die voorspellingen pas gaan toetsen.”

Er moet dus nog veel werk verzet worden. Maar we hebben het hier dan ook over de ‘heilige graal’ binnen het vakgebied waarin Hawking en Hertog opereren. “We willen tot een wiskundig coherent model van de oerknal komen dat bovendien testbaar is – en het multiversum is daarvan een belangrijk ingrediënt. En als dat lukt, is dat een gamechanger. Het verandert onze blik op de kosmos. Ook leren we iets meer over onszelf en onze plaats in het gehele plaatje.” Reden genoeg voor theoretisch natuurkundigen om hun zoektocht voort te zetten. Ze moeten het daarbij vanaf nu zonder Hawking doen. “Hawking is binnen ons vakgebied één van de groten uit de 20e eeuw,” erkent Hertog. “Maar ook hij was ingebed in een dynamische, interactieve wetenschappelijke gemeenschap die voortbouwt op voorgangers. In die zin zijn we allemaal een schakel in een verhaal dat generaties en ook Hawking overstijgt. Maar het is niet zo dat het verhaal niet verder gaat nu hij er niet meer is.” De komende jaren of misschien wel decennia zal moeten blijken hoe dit spannende verhaal afloopt of beter gezegd: hoe het ooit allemaal is begonnen. “Als we dat weten, heeft het heelal één van haar diepste geheimen prijsgegeven.”