Hoe kon de Big Bang uit het niets ontstaan

Hoe kon de Big Bang uit het niets ontstaan?

De evolutie van de kosmos na de Big Bang NASA

LEZERSVRAAG: Ik heb begrepen dat niets uit niets voortkomt. Om iets te laten bestaan, moet er materiaal of een component beschikbaar zijn, en om die beschikbaar te maken, moet er iets anders beschikbaar zijn. Nu mijn vraag: Waar kwam het materiaal vandaan dat de Big Bang creëerde, en wat gebeurde er in eerste instantie om dat materiaal te creëren? Peter, 80, Australië.

“De laatste ster zal langzaam afkoelen en verdwijnen. Met zijn heengaan zal het heelal weer een leegte worden, zonder licht of leven of betekenis.” Aldus waarschuwde de natuurkundige Brian Cox in de recente BBC-serie Universe. Het verdwijnen van die laatste ster zal slechts het begin zijn van een oneindig lang, donker tijdperk. Alle materie zal uiteindelijk worden opgeslokt door monsterlijke zwarte gaten, die op hun beurt zullen verdampen tot de zwakste lichtflitsen. De ruimte zal steeds verder uitdijen tot zelfs dat zwakke licht te verspreid wordt om nog te kunnen interageren. Activiteit zal ophouden.

Of toch niet? Vreemd genoeg geloven sommige kosmologen dat een vroeger, koud, donker, leeg heelal zoals dat in onze verre toekomst ligt, de bron kan zijn geweest van onze eigen oerknal.

Hoe kon de Big Bang uit het niets ontstaan.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip

Dit artikel maakt deel uit van Life’s Big Questions

De nieuwe serie van The Conversation, die samen met BBC Future wordt uitgegeven, probeert een antwoord te vinden op de knagende vragen van onze lezers over leven, liefde, dood en het universum. We werken samen met professionele onderzoekers die hun leven hebben gewijd aan het ontdekken van nieuwe perspectieven op de vragen die ons leven vormgeven.

De eerste materie

Maar laten we eerst eens kijken hoe “materie” – fysieke materie – is ontstaan. Als we de oorsprong van stabiele materie van atomen of moleculen willen verklaren, dan was die er zeker niet bij de Big Bang – en ook niet gedurende honderdduizenden jaren daarna. We hebben wel een vrij gedetailleerd begrip van hoe de eerste atomen uit eenvoudiger deeltjes werden gevormd toen de omstandigheden eenmaal voldoende waren afgekoeld om complexe materie stabiel te maken, en hoe deze atomen later in sterren tot zwaardere elementen werden gesmolten. Maar dat begrip gaat niet in op de vraag of iets uit niets is ontstaan.

Dus laten we verder terug denken. De eerste langlevende materiedeeltjes van welke aard dan ook waren protonen en neutronen, die samen de atoomkern vormen. Deze ontstonden ongeveer een tienduizendste van een seconde na de oerknal. Voor die tijd was er geen materie in de bekende zin van het woord. Maar de fysica laat ons de tijdlijn terug blijven volgen – naar fysische processen die dateren van vóór de oerknal.

Dit brengt ons naar het zogenaamde “grand unified epoch”. We bevinden ons nu op het terrein van de speculatieve natuurkunde, omdat we in onze experimenten niet genoeg energie kunnen produceren om het soort processen te onderzoeken dat toen aan de gang was. Maar een plausibele hypothese is dat de fysieke wereld bestond uit een soep van elementaire deeltjes met een korte levensduur – waaronder quarks, de bouwstenen van protonen en neutronen. Er was zowel materie als “antimaterie” in ongeveer gelijke hoeveelheden: elk type materiedeeltje, zoals de quark, heeft een antimaterie “spiegelbeeld” metgezel, die bijna identiek is aan zichzelf, en slechts in één aspect verschilt. Materie en antimaterie worden echter in een flits van energie vernietigd wanneer zij elkaar ontmoeten, hetgeen betekent dat deze deeltjes voortdurend werden gecreëerd en vernietigd.

Maar hoe zijn deze deeltjes in de eerste plaats ontstaan? De kwantumveldentheorie vertelt ons dat zelfs een vacuüm, dat geacht wordt overeen te komen met een lege ruimtetijd, vol is van fysische activiteit in de vorm van energiefluctuaties. Uit deze fluctuaties kunnen deeltjes opduiken, die kort daarna weer verdwijnen. Dit klinkt misschien meer als een wiskundige gril dan als echte fysica, maar dergelijke deeltjes zijn in talloze experimenten waargenomen.

De vacuümtoestand van de ruimtetijd is vol van deeltjes die voortdurend worden gecreëerd en vernietigd, ogenschijnlijk “uit het niets”. Maar misschien zegt dit ons alleen maar dat het kwantum vacuüm (ondanks zijn naam) eerder een iets dan een niets is. De filosoof David Albert heeft op memorabele wijze kritiek geuit op beschrijvingen van de Big Bang die beloven op deze manier iets uit niets te halen.

Afbeelding van een simulatie van quantum vacuüm fluctuaties.

Simulatie van kwantum vacuüm fluctuaties in kwantum chromodynamica.
Wikimedia/Ahmed Neutron

Stel dat we ons afvragen: waar is ruimtetijd zelf uit ontstaan? Dan kunnen we de klok nog verder terugdraaien, naar het werkelijk oeroude “Planck-tijdperk” – een periode zo vroeg in de geschiedenis van het heelal dat onze beste natuurkundige theorieën het begeven. Dit tijdperk vond slechts één tienmiljoenste van een triljoenste van een triljoenste van een triljoenste seconde na de Big Bang plaats. Op dit punt werden ruimte en tijd zelf onderworpen aan kwantumfluctuaties. Natuurkundigen werken gewoonlijk afzonderlijk met kwantummechanica, die de microwereld van deeltjes beheerst, en met algemene relativiteit, die van toepassing is op grote, kosmische schalen. Maar om het Planck-tijdperk echt te begrijpen, hebben we een complete theorie van de kwantumzwaartekracht nodig, waarin de twee worden samengevoegd.

We hebben nog steeds geen perfecte theorie van kwantumzwaartekracht, maar er zijn pogingen – zoals snaartheorie en luskwantumzwaartekracht. In deze pogingen worden gewone ruimte en tijd typisch gezien als emergent, zoals de golven aan het oppervlak van een diepe oceaan. Wat wij ervaren als ruimte en tijd is het product van kwantumprocessen die op een dieper, microscopisch niveau opereren – processen die niet erg logisch zijn voor ons als wezens die geworteld zijn in de macroscopische wereld.

In het Planck-tijdperk valt ons gewone begrip van ruimte en tijd uiteen, zodat we ook niet langer kunnen vertrouwen op ons gewone begrip van oorzaak en gevolg. Desondanks beschrijven alle kandidaat-theorieën van kwantumzwaartekracht iets fysisch dat in het Planck-tijdperk aan de gang was – een kwantumvoorloper van gewone ruimte en tijd. Maar waar kwam dat vandaan?

Zelfs als causaliteit niet langer op een gewone manier van toepassing is, zou het nog mogelijk kunnen zijn om een component van het Planck-epoch universum te verklaren in termen van een andere. Helaas slaagt zelfs onze beste natuurkunde er nog niet in antwoorden te geven. Totdat we verdere vooruitgang boeken in de richting van een “theorie van alles”, zullen we niet in staat zijn een definitief antwoord te geven. Het enige dat we in dit stadium met vertrouwen kunnen zeggen is dat de natuurkunde tot nu toe geen bevestigde gevallen heeft gevonden van iets dat uit niets ontstaat.

Cycli uit bijna niets

Om werkelijk antwoord te kunnen geven op de vraag hoe iets uit niets zou kunnen ontstaan, zouden we de kwantumtoestand van het gehele heelal aan het begin van het Planck-tijdperk moeten verklaren. Alle pogingen om dit te doen blijven zeer speculatief. Sommige doen een beroep op bovennatuurlijke krachten zoals een ontwerper. Maar andere kandidaat-verklaringen blijven binnen het domein van de fysica – zoals een multiversum, dat een oneindig aantal parallelle universa bevat, of cyclische modellen van het universum, dat geboren wordt en opnieuw geboren wordt.

De in 2020 met de Nobelprijs bekroonde natuurkundige Roger Penrose heeft een intrigerend maar controversieel model voor een cyclisch universum voorgesteld, dat “conforme cyclische kosmologie” wordt genoemd. Penrose werd geïnspireerd door een interessant wiskundig verband tussen een zeer hete, dichte, kleine toestand van het heelal – zoals het was bij de oerknal – en een extreem koude, lege, uitgebreide toestand van het heelal – zoals het zal zijn in de verre toekomst. Zijn radicale theorie om deze overeenkomst te verklaren is dat deze toestanden mathematisch identiek worden wanneer ze tot hun uiterste grenzen worden gebracht. Hoe paradoxaal het ook mag lijken, het is mogelijk dat een totale afwezigheid van materie heeft geleid tot alle materie die wij in ons universum om ons heen zien.

In deze visie ontstaat de oerknal uit een bijna niets. Dat is wat er overblijft wanneer alle materie in een heelal is opgeslokt in zwarte gaten, die op hun beurt zijn weggekookt in fotonen – verloren in een leegte. Het hele universum komt dus voort uit iets dat – vanuit een ander natuurkundig perspectief bezien – zo dicht mogelijk bij helemaal niets ligt. Maar dat niets is nog steeds een soort iets. Het is nog steeds een fysisch universum, hoe leeg ook.

Hoe kan dezelfde toestand een koud, leeg universum zijn vanuit het ene perspectief en een heet, dicht universum vanuit een ander? Het antwoord ligt in een ingewikkelde wiskundige procedure die “conformal rescaling” wordt genoemd, een geometrische transformatie die in feite de grootte van een voorwerp verandert maar de vorm onveranderd laat.

Penrose toonde aan hoe de koude dichte toestand en de warme dichte toestand met elkaar in verband kunnen worden gebracht door een dergelijke herschaling, zodat zij overeenkomen wat betreft de vormen van hun ruimtetijden – maar niet wat betreft hun afmetingen. Toegegeven, het is moeilijk te begrijpen hoe twee objecten op deze manier identiek kunnen zijn als zij verschillende afmetingen hebben – maar Penrose stelt dat afmeting als concept geen zin meer heeft in zulke extreme fysische omgevingen.

In de conforme cyclische kosmologie gaat de verklaringsrichting van oud en koud naar jong en heet: de hete dichte toestand bestaat vanwege de koude lege toestand. Maar dit “omdat” is niet het bekende “omdat” – van een oorzaak in de tijd gevolgd door zijn gevolg. Het is niet alleen de grootte die in deze extreme toestanden ophoudt relevant te zijn: tijd doet dat ook. De koude dichte toestand en de hete dichte toestand bevinden zich in feite op verschillende tijdlijnen. De koude lege toestand zou vanuit het perspectief van een waarnemer in zijn eigen tijdgeometrie eeuwig doorgaan, maar de hete dichte toestand die er het gevolg van is, bewoont in feite een geheel eigen nieuwe tijdlijn.

Het kan helpen om de hete dichte toestand te begrijpen als geproduceerd uit de koude lege toestand op een niet-causale manier. Misschien moeten we zeggen dat de hete dichte toestand voortkomt uit, of gegrond is in, of gerealiseerd wordt door de koude, lege toestand. Dit zijn uitgesproken metafysische ideeën die door wetenschapsfilosofen uitvoerig zijn onderzocht, vooral in de context van de kwantumzwaartekracht waar gewone oorzaak en gevolg uiteen lijken te vallen. Aan de grenzen van onze kennis zijn fysica en filosofie moeilijk te ontwarren.

Experimenteel bewijs?

Conforme cyclische kosmologie biedt een aantal gedetailleerde, zij het speculatieve, antwoorden op de vraag waar onze Big Bang vandaan kwam. Maar zelfs als Penrose’s visie wordt gestaafd door de toekomstige vooruitgang van de kosmologie, zouden we kunnen denken dat we dan nog steeds geen antwoord hebben gegeven op een diepere filosofische vraag – een vraag over waar de fysische werkelijkheid zelf vandaan komt. Hoe is het hele systeem van cycli tot stand gekomen?
Dan komen we uiteindelijk uit bij de zuivere vraag waarom er iets is in plaats van niets – een van de grootste vragen van de metafysica.

Maar onze aandacht gaat hier uit naar verklaringen die binnen het domein van de fysica blijven. Er zijn drie brede opties voor de diepere vraag hoe de cycli begonnen. Er zou helemaal geen fysische verklaring voor kunnen zijn. Of er kunnen zich eindeloos herhalende cycli zijn, elk een universum op zich, waarbij de kwantumtoestand van elk universum wordt verklaard door een eigenschap van het universum daarvoor. Of er zou één enkele cyclus kunnen zijn, en één enkel zich herhalend universum, waarbij het begin van die cyclus verklaard wordt door een of andere eigenschap van zijn eigen einde. De laatste twee benaderingen vermijden de noodzaak van onveroorzaakte gebeurtenissen – en dit geeft hen een onderscheidende aantrekkingskracht. Niets zou onverklaard worden gelaten door de fysica.

Afbeelding van Penrose's voortdurende cycli van verschillende universa.

Doorlopende cycli van verschillende universa in conforme cyclische kosmologie.
Roger Penrose

Penrose ziet een opeenvolging van eindeloze nieuwe cycli om redenen die gedeeltelijk verband houden met zijn eigen voorkeursinterpretatie van de kwantumtheorie. In de kwantummechanica bestaat een fysisch systeem in een superpositie van vele verschillende toestanden tegelijk, en “kiest” het er slechts één willekeurig, wanneer we het meten. Voor Penrose heeft elke cyclus te maken met willekeurige kwantumgebeurtenissen die op een andere manier verlopen – wat betekent dat elke cyclus zal verschillen van die ervoor en erna. Dit is eigenlijk goed nieuws voor experimentele natuurkundigen, want het zou ons in staat kunnen stellen een glimp op te vangen van het oude heelal waaruit het onze is ontstaan, via vage sporen, of anomalieën, in de restanten van de straling van de oerknal die door de Planck-satelliet zijn waargenomen.

Penrose en zijn medewerkers denken dat zij deze sporen al hebben ontdekt, door patronen in de Planck gegevens toe te schrijven aan straling van superzware zwarte gaten in het vorige heelal. Hun waarnemingen zijn echter door andere natuurkundigen in twijfel getrokken en de jury is er nog niet uit.

Kaart van de kosmische microgolf-achtergrondstraling.

Kaart van de kosmische microgolf-achtergrondstraling.
ESA en de Planck Collaboration

Eindeloze nieuwe cycli zijn de sleutel tot Penrose’s eigen visie. Maar er is een natuurlijke manier om de conforme cyclische kosmologie om te zetten van een multi-cyclus naar een één-cyclus vorm. Dan bestaat de fysische werkelijkheid uit een enkele cyclus van de Big Bang naar een maximaal lege toestand in de verre toekomst – en dan weer naar dezelfde Big Bang, waardoor hetzelfde heelal weer opnieuw ontstaat.

Deze laatste mogelijkheid is in overeenstemming met een andere interpretatie van de kwantummechanica, die de veel-werelden interpretatie wordt genoemd. De veel-werelden interpretatie vertelt ons dat iedere keer dat we een systeem meten dat in superpositie is, deze meting niet willekeurig een toestand kiest. In plaats daarvan is het meetresultaat dat we zien slechts één mogelijkheid – de mogelijkheid die zich in ons eigen universum afspeelt. De andere meetresultaten spelen zich allemaal af in andere universa in een multiversum, dat in feite van ons eigen universum is afgesneden. Dus hoe klein de kans ook is dat iets gebeurt, als het een niet-nul kans heeft, gebeurt het in een of andere parallelle kwantumwereld. Er zijn daar mensen zoals u in andere werelden die de loterij hebben gewonnen, of door een vreemde tyfoon in de wolken zijn meegesleurd, of spontaan in brand zijn gevlogen, of alle drie tegelijk hebben gedaan.

Sommige mensen geloven dat zulke parallelle universa ook waarneembaar kunnen zijn in kosmologische gegevens, als afdrukken veroorzaakt door een ander universum dat met het onze in botsing is gekomen.

De kwantumtheorie van de vele werelden geeft een nieuwe draai aan de conforme cyclische kosmologie, maar niet één waar Penrose het mee eens is. Onze Big Bang zou de wedergeboorte kunnen zijn van één enkel kwantum multiversum, dat oneindig veel verschillende universa bevat die allemaal samen voorkomen. Al het mogelijke gebeurt – en dan gebeurt het opnieuw en opnieuw en opnieuw.

Een oude mythe

Voor een wetenschapsfilosoof is Penrose’s visie fascinerend. Het opent nieuwe mogelijkheden voor de verklaring van de Big Bang, waardoor onze verklaringen verder gaan dan gewone oorzaak en gevolg. Het is daarom een geweldige testcase voor het onderzoeken van de verschillende manieren waarop de natuurkunde onze wereld kan verklaren. Het verdient meer aandacht van filosofen.

Voor een liefhebber van mythen is Penrose’s visie prachtig. In Penrose’s voorkeursvorm van meerdere cycli belooft het eindeloze nieuwe werelden, geboren uit de as van hun voorouders. In zijn een-cyclus vorm is het een opvallende moderne her-introductie van het oude idee van de ouroboros, of wereld-slang. In de Noorse mythologie is de slang Jörmungandr een kind van Loki, een slimme bedrieger, en de reus Angrboda. Jörmungandr eet zijn eigen staart op, en de cirkel die zo ontstaat houdt het evenwicht in de wereld in stand. Maar de ouroboros-mythe is over de hele wereld gedocumenteerd – zelfs tot in het oude Egypte.

Afbeelding van stenen ouroboros gegraveerd op de tombe van Toetanchamon

Ouroboros op de graftombe van Toetanchamon.
Djehouty/Wikimedia

De ouroboros van het ene cyclische universum is inderdaad majestueus. Het bevat in zijn buik ons eigen universum, evenals elk van de vreemde en wonderbaarlijke alternatieve mogelijke universa die door de kwantumfysica worden toegestaan – en op het punt waar zijn kop zijn staart ontmoet, is het volledig leeg, maar ook stromend van energie met temperaturen van honderdduizend miljoen miljard triljoen graden Celsius. Zelfs Loki, de gedaanteverwisselaar, zou onder de indruk zijn.

Om alle grote antwoorden van het leven te krijgen, voeg je bij de honderdduizenden mensen die waarde hechten aan op bewijs gebaseerd nieuws door te abonneren op onze nieuwsbrief. U kunt ons uw grote vragen per e-mail sturen naar bigquestions@theconversation.com en wij zullen proberen een onderzoeker of deskundige op de zaak te krijgen.

Meer Grote Vragen des Levens:

Geluk: is tevredenheid belangrijker dan doel en doelen?

Zouden we kunnen leven in een wereld zonder regels?

De dood: kan ons laatste moment euforisch zijn?

Natuur: zijn de mensen nu verder geëvolueerd dan de natuurlijke wereld, en hebben we die nog nodig?

Liefde: is het slechts een vluchtige high, gevoed door hersenchemicaliën?

The Conversation

Alastair Wilson ontvangt financiering van de Europese Onderzoeksraad (ERC) in het kader van het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie (subsidieovereenkomst nr. 757295), en van de Australische Onderzoeksraad (subsidieovereenkomst nr. DP180100105).

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.