Hoe een wild idee uitgroeide tot een mogelijk oplossing voor het grootste natuurkundige probleem dat we kennen.

Met name sci-fi-schrijvers zijn er dol op: het multiversum. Maar wie denkt dat dit wilde idee enkel het domein van fantasten is, heeft het mis. De laatste decennia duikt de term ‘multiversum’ namelijk ook steeds vaker op in wetenschappelijke papers, geschreven door heel respectabele wetenschappers. En in veel van die papers wordt het idee van een multiversum niet keihard onderuit geschoffeld, maar verder afgetast en niet zelden omarmd. “Er zijn veel wetenschappers die denken dat het multiversum bestaat,” vertelt professor Daniel Baumann, verbonden aan de Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica van de Universiteit van Amsterdam.

Wat is het multiversum?
Voor we ons verder in hun redeneringen verdiepen, is het goed om helder te krijgen wat we nu eigenlijk onder een multiversum moeten verstaan. “Je hebt het universum en dat werd lang gedefinieerd als: alles.” Maar met de opkomst van het idee van het multiversum was die definitie duidelijk niet afdoende. “Daarom definiëren we het universum nu als alles wat we kunnen zien. Er wordt dan ook wel gesproken van het waarneembare universum. Het multiversum is dan eigenlijk ook niets anders dan een verzameling van meerdere van die waarneembare universa die overigens helemaal losstaan van elkaar.”

De kosmologische constante en snaartheorie
Dat ons universum niet het enige universum is, is geen nieuw idee. Maar pas sinds een paar decennia zijn ook respectabele onderzoekers bereid gebleken om dat idee enigszins serieus te nemen. Het is volgens Baumann te herleiden naar een aantal schokkende ontdekkingen en theorieën die in de tweede helft van de vorige eeuw gepresenteerd werden:
– Het begint met de kosmische inflatie-theorie die volgens sommigen onomstotelijk leidt tot het ontstaan van een multiversum. Volgens de kosmische inflatie-theorie zou het heelal kort na de oerknal een fase hebben doorgemaakt waarin het in zeer korte tijd – een fractie van een seconde – zeker quintiljoenen (dat is een 1 met 30 nullen) keren groter werd. In de loop van de tijd werden er tientallen modellen ontwikkeld die deze inflatie beschreven. En veel ervan voorspellen een ‘eeuwige inflatie’: oftewel een inflatie die nooit gestopt is. Dat is verrassend, want ons universum dijt nog wel uit, maar lang niet zo snel als kort na de oerknal. Hoe zit dat? Sommige onderzoekers stellen dat het te verklaren is doordat de ruimtetijd het ten tijde van de kosmische inflatie zwaar te verduren kreeg, waardoor bubbels in die ruimtetijd ontstonden. En elke van die bubbels herbergde een universum met zijn eigen natuurwetten (ook wel pocket universes genoemd). In sommige van die bubbels – zoals de onze – stopte de supersnelle uitdijing, in andere ging deze door. Ondertussen zou de inflatie ook tussen de bubbels doorzetten, waardoor deze letterlijk uiteengroeien en er tussen de bubbels ruimte ontstaat waarin continu nieuwe bubbels – en dus oneindig veel universa – kunnen ontstaan.

Kort na de oerknal vond de inflatie plaats: gedurende een fractie van een seconde groeide het universum enorm. Afbeelding: NASA / WMAP Science Team.

– Misschien wel de belangrijkste aanwijzing voor het bestaan van een multiversum is volgens Baumann echter de versnelde uitdijing van het waarneembare heelal. In 1998 ontdekten onderzoekers aan de hand van supernova’s dat het heelal versneld uitdijt. Dat was alleen te verklaren als er sprake was van een kosmologische constante: een onzichtbare energie in het heelal (we noemen deze nu: donkere energie) die afstotend werkt. Maar met die versnelde uitdijing en benodigde kosmologische constante werd een groot natuurkundig probleem geboren. Want experimenten wezen uit dat de kosmologische constante veel kleiner is dan de theorie voorspelt. Baumann noemt het het grootste probleem in de natuurkunde. “Als dit probleem er niet was, zou ik zeggen dat we niet eens over het multiversum hoeven te praten. Maar het multiversum lost dit probleem op.”

“Als er verschillende niet met elkaar in verbinding staande universa zijn, vertelt snaartheorie ons dat ze heel verschillende eigenschappen zouden kunnen hebben”

– Om dat te begrijpen, moeten we een sprongetje maken naar de derde en laatste theorie: de snaartheorie. Volgens deze theorie is materie, maar ook energie opgebouwd uit snaren. De theorie heeft echter één grote beperking: hij vereist minstens tien dimensies en wij kennen er maar vier. Sommige onderzoekers vermoeden dan ook dat de ‘missende dimensies’ niet waarneembaar zijn, doordat ze heel compact ‘opgerold’ zijn. Maar – nu komt het – om die extra dimensies onwaarneembaar klein te houden, moet je energie toevoegen. En de energie die in die extra dimensies zit opgeslagen, draagt bij aan de kosmologische constante. Daarnaast zijn er tal van manieren waarop je die extra dimensies kunt oprollen en elke manier resulteert in een compleet andere set natuurwetten. “Als er verschillende niet met elkaar in verbinding staande universa zijn, vertelt snaartheorie ons dat ze heel verschillende eigenschappen zouden kunnen hebben,” aldus Baumann. En ook de kosmologische constante in elk van die universa kan dus net weer ietsje anders zijn. Dat we in ons heelal zo’n kleine kosmologische constante meten, is volgens sommige onderzoekers dan ook vooral een kwestie van geluk hebben. Want met een kosmologische constante die net iets groter is, zouden deeltjes niet eens de kans krijgen om zich aan elkaar te binden, laat staan dat er sterren, planeten en uiteindelijk leven kan ontstaan. “We leven waar we kunnen leven,” zo vat Baumann die theorie samen.

Afbeelding: werner22brigitte / Pixabay

Op zoek naar bewijs
En daarmee lijkt het idee van het multiversum het rijk der fabelen te zijn ontgroeid. Maar bewezen is het nog niet. Wat ons natuurlijk bij de vraag brengt of dat überhaupt ooit mogelijk is. Volgens Baumann hebben verschillende onderzoekers zich daar reeds het hoofd over gebroken, maar tot een overtuigend antwoord kwamen ze niet. Veelal wordt voorgesteld op zoek te gaan naar sporen van botsingen tussen pocket universes. Kort na hun ontstaan moeten die bubbels immers vrij dicht bij elkaar hebben gezeten en het lijkt niet onaannemelijk dat het wel eens tot botsingen is gekomen. “Je kunt het vergelijken met wanneer je water kookt: het water zet snel uit en er ontstaan bubbels die botsen.” Dergelijke botsingen kunnen in het geval van de pocket universes hun sporen na hebben gelaten in wat onderzoekers de kosmische achtergrondstraling noemen: warmtestraling die kort na de oerknal is uitgezonden. De afgelopen decennia is deze kosmische achtergrondstraling met behulp van verschillende instrumenten onderzocht en daarbij is natuurlijk ook gezocht naar sporen van botsingen met andere universa. “Maar er is niets gevonden,” vertelt Baumann. Echt verrassend is dat wellicht niet. Baumann wijst erop dat een botsing tussen twee pocket universes al snel resulteert in de ondergang van beiden. “Dus het is nog niet zo gemakkelijk voor twee universa om elkaar aan te raken zonder dat ze elkaar vernietigen.”

Nachtmerrie
Bewijs voor het bestaan van het universum is dus lastig te verkrijgen. En dat is ook de reden dat Baumann er niet enthousiast over is. “Ik vind het niks. Het is lastig om dingen die we niet kunnen zien te toetsen, te definiëren en te voorspellen.” Maar dat is wel waar de natuurkunde om draait: “Beschrijven wat we zien, wat we kunnen manipuleren en aanraken.” Met andere universa gaat dat niet (zie kader). “Maar tegelijkertijd kan ik ook niet ontkennen dat het multiversum bestaat,” stelt Baumann. In die zin zou je het multiversum de nachtmerrie van elke natuurkundige kunnen noemen.

In science-fictionfilms die het multiversum als een voldongen feit presenteren, zie je regelmatig dat mensen van het ene naar het andere universum reizen. Zou dat mogelijk zijn in het multiversum waar de verschillende wetenschappelijke theorieën voorzichtig op hinten? “In eerste instantie zou ik zeggen van niet, omdat de bubbels niet met elkaar in verbinding staan en omdat we niet verder kunnen reizen dan we kunnen zien (oftewel niet sneller kunnen reizen dan het licht, wat wel nodig zou zijn om het waarneembare universum te kunnen verlaten, red.).” Dat gezegd hebbende, wil Baumann er wel direct een kanttekening bij plaatsen. Want hoewel de algemene relativiteitstheorie stelt dat we niet sneller kunnen reizen dan het licht, is dat in theorie wel mogelijk, namelijk middels een wormgat. “Dat is volgens mij de enige optie om van het ene naar het andere universum te reizen.” Maar wormgaten zijn tot op heden niet gevonden, dus afgaand op wat we nu kennen, blijft de conclusie dat we vastzitten in ons eigen universum.

En misschien is het idee van het multiversum ook wel meer een vloek dan een zegen. Het roept in ieder geval een interessante filosofische vraag op. “Is dit wetenschap? Kunnen we geloven dat iets echt is als we het nooit gezien hebben?” Je zou misschien denken van niet. Maar die conclusie zul je Baumann niet zo snel horen trekken. Hij onderbouwt dat door te verwijzen naar de quarks: elementaire deeltjes die we onmogelijk kunnen waarnemen, maar toch alom geaccepteerd zijn. “Er is een theorie (het Standaardmodel van de deeltjesfysica, red.) en die hebben we op alle mogelijke manieren getest en elke keer weer blijkt dat we de quarks nodig te hebben. En daarom geloven we dat ze bestaan, ook al is het onmogelijk om een vrije quark waar te nemen.” Op vergelijkbare manier zouden we – ook al kunnen we het niet zien – het multiversum kunnen omarmen. Sterker nog: het is misschien wel het beste waar we op mogen hopen. “Ik ben niet zo hoopvol dat we andere universa gaan observeren,” stelt Baumann. “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.”

“Het multiversum kan ervoor zorgen dat wetenschappers te snel opgeven”

Zover zijn we echter nog lang niet. Op dit moment is het multiversum geen onvermijdelijke consequentie van allerhande theorieën, maar enkel een fraai passende oplossing voor een groot natuurkundig probleem. Baumann illustreert dat aan de hand van een voorbeeld. “De astronoom Johannes Kepler vroeg zich lang geleden af waarom de aarde zo ver van de zon staat. Hij probeerde daar een theorie voor te bedenken. Later zou blijken dat daar helemaal geen theorie voor ontwikkeld kan worden. Want toen we naar andere planetaire systemen gingen kijken, ontdekten we dat het toeval is: we leven hier, omdat we elders niet kunnen leven. Nu is de aarde geen fundamenteel concept in de natuur. De kosmologische constante is dat wel. En op dit moment zijn we geneigd die te verklaren, zoals we de afstand tussen de zon en de aarde verklaren: door er andere universa bij te halen en te concluderen dat we gewoon geluk hebben gehad met onze kleine kosmologische constante. En daarmee lijkt de puzzel opgelost.” Maar in tegenstelling tot de planetaire systemen uit het voorbeeldje van Johannes Kepler, kunnen we die andere universa niet waarnemen of aantonen dat hun bestaan – zoals dat van de quarks onvermijdelijk is – en dus hangt de oplossing van de puzzel van aannames aan elkaar. Wat ons terugbrengt bij de vraag van Baumann: “Is dit wetenschap?” Daar kun je in dit stadium over discussiëren. Maar één ding staat wel vast: het multiversum drukt wel een stempel op de wetenschap. Nu al. “Het ontmoedigt onderzoekers om echte oplossingen te vinden en kan ervoor zorgen dat ze te snel opgeven.” Niet alleen als het gaat om het multiversum, maar ook om andere lastig te verklaren problemen in de natuurkunde.

En zo blijft het multiversum naar verwachting nog wel even onderwerp van discussie. “Wetenschappers houden ervan of ze hebben er een hekel aan. Maar weinigen hebben er geen mening over. Het is een polariserend thema dat de manier waarop we wetenschap bedrijven kan herschrijven.”