Ontstaan universa als bubbels uit een multiversum? arda savasciogullari/Shutterstock
Het is gemakkelijk om je andere universums voor te stellen, met iets andere natuurkundige wetten, waarin geen intelligent leven, noch enige vorm van georganiseerde complexe systemen, zouden kunnen ontstaan. Moeten we daarom verbaasd zijn dat er een universum bestaat waarin wij konden ontstaan?
Dat is een vraag die natuurkundigen, waaronder ikzelf, al tientallen jaren proberen te beantwoorden. Maar het blijkt moeilijk. Hoewel we met zekerheid de kosmische geschiedenis kunnen herleiden tot één seconde na de Big Bang, is wat daarvoor gebeurde moeilijker te meten. Onze versnellers kunnen eenvoudigweg niet genoeg energie produceren om de extreme omstandigheden van de eerste nanoseconde na te bootsen.
Maar we verwachten dat in die eerste fractie van een seconde de belangrijkste kenmerken van ons heelal werden vastgelegd.
De omstandigheden van het heelal kunnen worden beschreven door middel van de “fundamentele constanten” – vaste grootheden in de natuur, zoals de zwaartekrachtconstante (G genoemd) of de lichtsnelheid (C genoemd). Er zijn er ongeveer 30 die de grootte en sterkte van parameters als deeltjesmassa’s, krachten of de uitdijing van het heelal weergeven. Maar onze theorieën verklaren niet welke waarden deze constanten moeten hebben. In plaats daarvan moeten we ze meten en hun waarden in onze vergelijkingen stoppen om de natuur nauwkeurig te beschrijven.
Dit artikel gaat vergezeld van een podcastserie genaamd Great Mysteries of Physics, waarin de grootste mysteries waar natuurkundigen vandaag de dag mee te maken hebben aan het licht komen – en de radicale voorstellen om ze op te lossen worden besproken.
De waarden van de constanten liggen in het bereik dat complexe systemen zoals sterren, planeten, koolstof en uiteindelijk de mens toelaat te evolueren. Natuurkundigen hebben ontdekt dat als we sommige van deze parameters maar een paar procent zouden veranderen, ons universum levenloos zou worden. Het feit dat er leven bestaat, is dus verklaarbaar.
Sommigen beweren dat het gewoon een gelukkig toeval is. Een alternatieve verklaring is echter dat we in een multiversum leven, dat domeinen bevat met verschillende natuurkundige wetten en waarden van fundamentele constanten. De meeste zijn misschien totaal ongeschikt voor leven. Maar een paar zouden, statistisch gezien, levensvriendelijk moeten zijn.
Dreigende revolutie?
Wat is de omvang van de fysieke werkelijkheid? We zijn ervan overtuigd dat die uitgebreider is dan het domein dat astronomen ooit kunnen waarnemen, zelfs in principe. Dat domein is zeker eindig. Dat komt vooral omdat er, net als op de oceaan, een horizon is waar we niet voorbij kunnen kijken. En net zoals we niet denken dat de oceaan voorbij onze horizon ophoudt, verwachten we sterrenstelsels voorbij de grens van ons waarneembare heelal. In ons versnellende heelal zullen onze verre nazaten ze ook nooit kunnen waarnemen.
De meeste natuurkundigen zullen het ermee eens zijn dat er sterrenstelsels zijn die we nooit kunnen zien, en dat die groter zijn dan die welke we kunnen waarnemen. Als ze zich ver genoeg uitstrekken, dan kan alles wat we ons ooit kunnen voorstellen zich steeds weer herhalen. Ver voorbij de horizon zouden we allemaal avatars kunnen hebben.
Dit uitgestrekte (en voornamelijk niet-waarneembare) domein zou de nasleep zijn van “onze” Oerknal – en zou waarschijnlijk beheerst worden door dezelfde natuurkundige wetten die gelden in de delen van het heelal die wij kunnen waarnemen. Maar was onze Oerknal de enige?
De inflatietheorie, die suggereert dat het vroege heelal een periode onderging waarin het elke triljoenste van een triljoenste van een triljoenste van een seconde in omvang verdubbelde, heeft echte observationele ondersteuning. Het verklaart waarom het heelal zo groot en glad is, met uitzondering van schommelingen en rimpelingen die de “zaden” zijn voor de vorming van sterrenstelsels.
Maar natuurkundigen waaronder Andrei Linde hebben aangetoond dat, onder enkele specifieke maar plausibele aannames over de onzekere fysica in dit oude tijdperk, er een “eeuwige” productie van Big Bangs zou zijn – die elk aanleiding geven tot een nieuw universum.
De snaartheorie, een poging om de zwaartekracht te verenigen met de wetten van de microfysica, veronderstelt dat alles in het heelal bestaat uit kleine, vibrerende snaren. Maar het veronderstelt dat er meer dimensies zijn dan die wij ervaren. Deze extra dimensies zijn zo compact dat we ze niet allemaal opmerken. En elk type verdichting zou een universum kunnen creëren met verschillende microfysica – dus andere Big Bangs zouden, als ze afkoelen, door verschillende wetten geregeerd kunnen worden.
De “natuurwetten” kunnen dus, in dit nog grotere perspectief, lokale wetten zijn die ons eigen kosmische gebied besturen.
We kunnen maar een fractie van het heelal zien.
NASA/James Webb telescoop
Als de fysische realiteit zo is, dan is er een echte motivatie om “contrafeitelijke” universa te onderzoeken – plaatsen met andere zwaartekracht, andere fysica enzovoort – om na te gaan in welke reeks of parameters complexiteit kan ontstaan en welke leiden tot steriele of “doodgeboren” kosmossen. Opwindend genoeg gaat dit nog steeds door, en uit recent onderzoek blijkt dat men zich heelallen kan voorstellen die nog vriendelijker zijn voor leven dan de onze. De meeste “aanpassingen” van de fysische constanten zouden een heelal echter doodgeboren maken.
Dat gezegd hebbende, houden sommigen niet van het concept van het multiversum. Zij vrezen dat het de hoop op een fundamentele theorie om de constanten te verklaren even ijdel zou maken als Kepler’s numerologische zoektocht om planeetbanen te relateren aan geneste platonische vaste lichamen.
Maar onze voorkeuren zijn irrelevant voor de manier waarop de fysieke werkelijkheid werkelijk is – dus moeten we zeker openstaan voor de mogelijkheid van een op handen zijnde grote kosmologische revolutie. Eerst hadden we het Copernicaanse besef dat de aarde niet het centrum van het zonnestelsel is – zij draait om de zon. Toen realiseerden we ons dat er miljarden planetenstelsels zijn in ons melkwegstelsel, en dat er miljarden sterrenstelsels zijn in ons waarneembare heelal.
Kan het dus zijn dat ons waarneembare domein – inderdaad onze Oerknal – een klein deel is van een veel groter en mogelijk divers geheel?
Natuurkunde of metafysica?
Hoe weten we hoe atypisch ons universum is? Om dat te beantwoorden moeten we de waarschijnlijkheid van elke combinatie van constanten berekenen. En dat is een blik wormen dat we nog niet kunnen openen – het zal moeten wachten op enorme theoretische vooruitgang.
We weten uiteindelijk niet of er andere Big Bangs zijn. Maar ze zijn niet alleen metafysisch. We hebben misschien ooit redenen om te geloven dat ze bestaan.
In het bijzonder, als we een theorie hadden die de fysica onder de extreme omstandigheden van de ultra-vroege Oerknal beschreef – en als die theorie op andere manieren bevestigd was, bijvoorbeeld door enkele onverklaarde parameters in het standaardmodel van de deeltjesfysica af te leiden – dan zouden we die theorie serieus moeten nemen, als ze meerdere Oerknallen voorspelde.
Critici beweren soms dat het multiversum onwetenschappelijk is omdat we nooit andere universa kunnen waarnemen. Maar daar ben ik het niet mee eens. We kunnen het inwendige van zwarte gaten niet waarnemen, maar we geloven wat de natuurkundige Roger Penrose zegt over wat daar gebeurt – zijn theorie heeft aan geloofwaardigheid gewonnen doordat ze overeenkomt met veel dingen die we kunnen waarnemen.
Ongeveer 15 jaar geleden zat ik in een panel op Stanford waar ons werd gevraagd hoe serieus we het multiversum concept namen – op de schaal “zou je er je goudvis, je hond of je leven om verwedden”. Ik zei dat ik bijna op het niveau van de hond zat. Linde zei dat hij er bijna zijn leven om zou verwedden. Later zei natuurkundige Steven Weinberg, toen hem dit werd verteld, dat hij “graag de hond van Martin Rees en het leven van Andrei Linde zou verwedden”.
Helaas vermoed ik dat Linde, mijn hond en ik allemaal dood zullen zijn voordat we een antwoord hebben.
Inderdaad, we kunnen er niet eens zeker van zijn dat we het antwoord zouden begrijpen – net zoals kwantumtheorie te moeilijk is voor apen. Het is denkbaar dat machine-intelligentie de geometrische details van sommige snaartheorieën kan onderzoeken en bijvoorbeeld enkele algemene kenmerken van het standaardmodel kan uitspuwen. We zouden dan vertrouwen hebben in de theorie en de andere voorspellingen ervan serieus nemen.
Maar we zouden nooit het “aha” inzichtmoment hebben dat de grootste voldoening geeft aan een theoreticus. De fysieke werkelijkheid op haar diepste niveau zou zo diepgaand kunnen zijn dat de opheldering ervan zou moeten wachten op postmenselijke soorten – hoe deprimerend of opwindend dat ook mag zijn, al naar gelang smaak. Maar het is geen reden om het multiversum als onwetenschappelijk af te doen.
Martin Rees werkt niet voor, geeft geen advies aan, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel, en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.
