Stephen Hawking en ik creeerden zijn definitieve theorie van de

Stephen Hawking en ik creëerden zijn definitieve theorie van de kosmos – hier is wat het onthult over de oorsprong van tijd en leven

Hawking en de auteur. Foto: Thomas Hertog en Jonathan Wood, Auteur voorzien

Wijlen natuurkundige Stephen Hawking vroeg mij in 1998 voor het eerst om met hem samen te werken om “een nieuwe kwantumtheorie van de oerknal” te ontwikkelen. Wat begon als een doctoraal project ontwikkelde zich gedurende zo’n 20 jaar tot een intense samenwerking die pas eindigde met zijn overlijden op 14 maart 2018.

Het raadsel dat gedurende deze periode centraal stond in ons onderzoek was hoe de Oerknal omstandigheden kon creëren die zo perfect gastvrij waren voor leven. Ons antwoord wordt gepubliceerd in een nieuw boek, On the Origin of Time: Stephen Hawking’s Final Theory.

Vragen over de uiteindelijke oorsprong van de kosmos, of het universum, brengen de natuurkunde uit haar comfortzone. Toch was dit precies waar Hawking zich graag aan waagde. Het vooruitzicht – of de hoop – om het raadsel van het kosmisch ontwerp te ontrafelen, dreef veel van Hawking’s onderzoek in de kosmologie. “Stoutmoedig gaan waar Star Trek niet durft te gaan” was zijn motto – en ook zijn screensaver.

Door onze gezamenlijke wetenschappelijke zoektocht groeiden we onvermijdelijk naar elkaar toe. In zijn omgeving kon je niet anders dan beïnvloed worden door zijn vastberadenheid en optimisme dat we mystificerende vragen konden aanpakken. Hij gaf me het gevoel dat we ons eigen scheppingsverhaal schreven, wat we in zekere zin ook deden.

Vroeger dacht men dat het schijnbare ontwerp van de kosmos betekende dat er een ontwerper moest zijn – een God. Tegenwoordig wijzen wetenschappers in plaats daarvan op de wetten van de fysica. Deze wetten hebben een aantal opvallende levensbevorderende eigenschappen. Neem de hoeveelheid materie en energie in het universum, de delicate verhoudingen van de krachten, of het aantal ruimtelijke dimensies.

Natuurkundigen hebben ontdekt dat als je deze eigenschappen ook maar een beetje verandert, het universum levenloos wordt. Het voelt bijna alsof het universum een fix is – zelfs een grote.

Maar waar komen de wetten van de natuurkunde vandaan? Van Albert Einstein tot Hawking in zijn vroegere werk, beschouwden de meeste 20e-eeuwse natuurkundigen de wiskundige relaties die ten grondslag liggen aan de natuurkundige wetten als eeuwige waarheden. In deze visie is het schijnbare ontwerp van de kosmos een kwestie van wiskundige noodzakelijkheid. Het universum is zoals het is, omdat de natuur geen keuze had.

Rond de eeuwwisseling van de 21e eeuw ontstond een andere verklaring. Misschien leven we in een multiversum, een enorme ruimte die een lappendeken van universums voortbrengt, elk met zijn eigen soort oerknal en natuurkunde. Statistisch gezien zou het logisch zijn dat een paar van deze universa levensvriendelijk zijn.

Maar al snel raakten zulke multiversum-moties verstrikt in een spiraal van paradoxen en geen controleerbare voorspellingen.

De kosmologie binnenstebuiten gekeerd

Kan het beter? Ja, dat hebben Hawking en ik ontdekt, maar alleen door het idee los te laten, dat inherent is aan de multiversum kosmologie, dat onze natuurkundige theorieën een God’s-eye view kunnen hebben, alsof ze buiten de hele kosmos staan.

Het is een duidelijk en schijnbaar tautologisch punt: de kosmologische theorie moet rekening houden met het feit dat wij binnen het universum bestaan. “Wij zijn geen engelen die het universum van buitenaf bekijken,” vertelde Hawking me. “Onze theorieën zijn nooit losgekoppeld van ons.”

We begonnen de kosmologie te heroverwegen vanuit het perspectief van een waarnemer. Daarvoor moesten we de vreemde regels van de kwantummechanica overnemen, die de microwereld van deeltjes en atomen regelt.

Volgens de kwantummechanica kunnen deeltjes zich op verschillende plaatsen tegelijk bevinden – een eigenschap die superpositie wordt genoemd. Pas wanneer een deeltje wordt waargenomen, kiest het (willekeurig) een definitieve positie. Kwantummechanica kent ook willekeurige sprongen en fluctuaties, zoals deeltjes die uit de lege ruimte opduiken en weer verdwijnen.

In een kwantum universum ontstaan dus een tastbaar verleden en toekomst uit een waas van mogelijkheden door middel van een voortdurend proces van waarnemen. Zulke kwantumwaarnemingen hoeven niet door mensen te worden gedaan. De omgeving of zelfs een enkel deeltje kan “waarnemen”.

Ontelbare van dergelijke kwantumobservatiehandelingen transformeren voortdurend wat zou kunnen zijn in wat gebeurt, waardoor het universum vaster in het bestaan wordt getekend. En als er eenmaal iets is waargenomen, worden alle andere mogelijkheden irrelevant.

Beeld van de Carina nevel.

Stervormend gebied in ons melkwegstelsel.
NASA, ESA, CSA, en STScI

We hebben ontdekt dat wanneer we door een kwantumlens naar de vroegste stadia van het heelal kijken, er een dieper niveau van evolutie is waarin zelfs de wetten van de natuurkunde veranderen en evolueren, in sync met het heelal dat vorm krijgt. Bovendien heeft deze meta-evolutie een Darwinistisch tintje.

Variatie treedt op omdat willekeurige kwantumsprongen frequente excursies veroorzaken van wat het meest waarschijnlijk is. Selectie komt binnen omdat sommige van deze excursies kunnen worden versterkt en bevroren, dankzij kwantumobservatie. De wisselwerking tussen deze twee concurrerende krachten – variatie en selectie – in het oer-universum produceerde een vertakkende boom van natuurkundige wetten.

Het resultaat is een grondige herziening van de grondslagen van de kosmologie. Kosmologen gaan gewoonlijk uit van wetten en beginvoorwaarden die bestonden op het moment van de Big Bang, en bekijken dan hoe het huidige universum daaruit is geëvolueerd. Maar wij suggereren dat deze wetten zelf het resultaat zijn van evolutie.

Dimensies, krachten en deeltjes soorten transmuteren en diversifiëren in de oven van de hete Oerknal – enigszins analoog aan hoe biologische soorten miljarden jaren later ontstaan – en krijgen hun effectieve vorm in de loop der tijd.

Bovendien betekent de betrokken willekeurigheid dat de uitkomst van deze evolutie – de specifieke reeks natuurkundige wetten die ons universum maakt tot wat het is – alleen achteraf kan worden begrepen.

In zekere zin was het vroege heelal een superpositie van een enorm aantal mogelijke werelden. Maar we kijken vandaag naar het heelal op een moment dat er mensen, sterrenstelsels en planeten bestaan. Dat betekent dat we de geschiedenis zien die leidde tot onze evolutie.

We observeren parameters met “gelukswaarden”. Maar we nemen niet aan dat ze op een of andere manier ontworpen zijn of altijd zo zijn geweest.

Het probleem met tijd

De crux van onze hypothese is dat, terugredenerend in de tijd, de evolutie naar meer eenvoud en minder structuur steeds doorgaat. Uiteindelijk vervaagt zelfs de tijd en daarmee de natuurkundige wetten.

Deze opvatting wordt vooral gedragen door de holografische vorm van onze theorie. Het “holografisch principe” in de natuurkunde voorspelt dat net zoals een hologram drie dimensies lijkt te hebben terwijl het in feite slechts in twee dimensies is gecodeerd, de evolutie van het hele universum op dezelfde manier is gecodeerd op een abstract, tijdloos oppervlak.

Hawking en ik zien tijd en causaliteit als “emergente kwaliteiten”, die geen voorafgaand bestaan hebben maar voortkomen uit de interacties tussen talloze kwantumdeeltjes. Het is een beetje zoals temperatuur ontstaat door vele atomen die samen bewegen, ook al heeft geen enkel atoom temperatuur.

Men gaat terug in de tijd door uit te zoomen en het hologram vager te bekijken. Uiteindelijk verliest men echter alle informatie die in het hologram is gecodeerd. Dit zou de oorsprong van de tijd zijn – de Big Bang.

Bijna een eeuw lang hebben we de oorsprong van het universum bestudeerd tegen de stabiele achtergrond van onveranderlijke natuurwetten. Maar onze theorie leest de geschiedenis van het universum van binnenuit en als een die, in zijn vroegste stadia, de genealogie van de natuurkundige wetten omvat. Niet de wetten als zodanig, maar hun vermogen tot transmutatie heeft het laatste woord.

Toekomstige kosmologische waarnemingen kunnen hiervoor bewijs vinden. Bijvoorbeeld, precisie-waarnemingen van zwaartekrachtgolven – rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd – kunnen handtekeningen onthullen van sommige van de vroege vertakkingen van het heelal. Als dit ontdekt wordt, zou Hawking’s kosmologische finale wel eens zijn grootste wetenschappelijke nalatenschap kunnen blijken te zijn.

The Conversation

Thomas Hertog is hoogleraar theoretische natuurkunde aan de KU Leuven (België).

Ubergeek Loves Coolblue

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