Het Antropisch Principe

John Barrow en Frank Tipler. The Anthropic Cosmological Principle.

Misschien is het feit dat de meeste theorieën met elkaar overeenstemmen wel het belangrijkste aspect van de natuurwetenschappen. Als er geschilpunten bestaan, betreft het meestal details. Maar er bestaat een grote uitzondering: het antropisch principe, geformuleerd door Brandon Carter en bekend geworden door John Barrow en Frank Tipler in hun boek The Anthropic Cosmological Principle.

De Britse astronomen M.S. Longair en M.J. Rees vinden dat het antropisch principe absoluut niets tot de wetenschap bijdraagt. Steven Weinberg ziet het zelfs als zijn taak om wetenschappelijk aan te tonen dat er geen noodzaak voor dit principe bestaat. Andere wetenschappers zoals Dennis Sciama en Roger Penrose verdedigen het principe juist.

De term 'antropisch principe' stamt van de astrofysicus Brandon Carter. We ontmoeten Carter in een collegezaaltje van de sterrenwacht van Meudon, een kleine verzameling van telescoopkoepels en gebouwtjes midden in een prachtig park ten zuiden van Parijs. De borden in het collegezaaltje staan vol met formules en astrofysische termen.

Carter, een Australiër die onderzoek doet aan het Centre National de Recherche Scientifique, formuleerde zijn concept twintig jaar geleden tijdens een conferentie te Krakov ter gelegenheid van de 500ste verjaardag van de geboorte van Copernicus. Hij verwoordde toen het antropisch principe als volgt: 'Wat wij kunnen verwachten waar te nemen, is noodzakelijkerwijze beperkt door de voorwaarden die noodzakelijk zijn voor onze aanwezigheid als waarnemer.' Toegepast op het heelal betekent dit dat het heelal zich zo heeft ontwikkeld dat wij kunnen bestaan en daarom het heelal kunnen waarnemen.

Op het eerste gezicht lijkt dit principe vanzelfsprekend. Carter: 'De ene helft denkt dat dit principe triviaal is en geen naam hoeft te hebben. De andere helft denkt dat dit principe fout is. Mijn eigen opvatting is dat indien zo velen denken dat dit principe fout is, het niet triviaal kan zijn.'

Toen Carter zijn principe in Krakov formuleerde, was het een reactie tegen het extreme Copernicaanse principe. Het Copernicaans principe is afgeleid van de stelling dat niet de aarde, maar de zon zich in het middelpunt van het heelal bevindt. In zijn meest algemene vorm stelt dit principe dat het heelal overal hetzelfde moet zijn en dat de mens geen centrale of uitverkoren positie inneemt - een opinie die nu vrij algemeen wordt aanvaard. Volgens het Copernicaans principe zou de ontwikkeling van intelligent leven op aarde geen uitzondering zijn. Zo moeten er ontelbare planeten in onze en andere melkwegstelsels bestaan waar zich intelligente levensvormen hebben ontwikkeld.

Typische planeet

Carter vindt deze redenering verkeerd: 'Sinds Darwin is er de neiging om aan te nemen dat er een onvermijdelijk proces bestaat dat automatisch leidt tot de ontwikkeling van wezens zoals wij. Ons bestaan zou een bewijs hiervoor zijn. Indien je aanneemt dat dit een typische planeet is, en dat op deze planeet een typisch Darwiniaanse evolutie plaats vindt, dan zouden we kunnen zeggen dat ons bestaan het typische resultaat is van zo'n evolutie. Nu is het antropisch principe er juist om je te waarschuwen: hé, dit is nu een geval waar een selectie-effect optreedt. Als de evolutie een ander verloop gehad zou hebben, dan zouden we er niet geweest zijn om dit waar te nemen. Zou er maar een enkele planeet uit honderd miljoen planeten op de aarde lijken, met een intelligente civilisatie als resultaat, dan zouden wij, door een selectie-effect, nu juist deze civilisatie zijn. Het feit dat wij bestaan betekent helemaal niet dat wij typisch zijn. Het feit dat de kans groter is dat wij een uitzondering vormen heeft tot gevolg dat de kans dat elders intelligent leven bestaat dat op het onze lijkt, uiterst gering moet zijn.'

Carter is nu niet meer zo gelukkig met zijn uitvinding van de term 'antropisch principe.' Nu zou hij dit het 'observer's selection principle' noemen, omdat het algemener is dan de mens. Als in een ver melkwegstelsel een vreemdsoortige beschaving bestaat, dan zou die hetzelfde principe moeten toepassen.

Het belangrijkste aspect van dit principe is dat het een 'selectie-effect' beschrijft. Als alledaags voorbeeld van een selectie-effect dat wij ons vaak niet realiseren geeft Carter de kloksnelheid van de microprocessor in een PC. 'Als je een microprocessor hebt met een kloksnelheid van 20 megaherz, is dit niet omdat de fabrikant speciaal een chip met specificaties voor 20 megaherz heeft gemaakt. Men maakt er een hele hoop en test ze vervolgens om ze voor verschillende frequenties te selecteren. Als je nu een 20 megahertz processor hebt, is dat er een die in de 60 en 40 megahertz tests heeft gefaald, maar die het bij 20 megahertz wel doet.'

Natuurlijk kun je niet bewijzen dat men niet expres een chip voor 20 megahertz heeft gemaakt. Maar je kunt wel bewijzen dat je die chip door een selectieproces kunt verkrijgen. Volgens Carter wordt dit vaak fout begrepen: 'Er zijn mensen die zelfs dit principe op hun kop hebben gezet door te zeggen dat de doelgerichtheid in de schepping het antropisch principe is. Zij zeggen dat het heelal juist voor de mens is geschapen. Sommige theologen gebruiken dit argument. Maar door het selectie-effect kan men de schijn verkrijgen van een doelgerichtheid in de natuur.'

Brandon Carter was niet de eerste die het idee van het antropisch principe ontwikkelde. Robert Dicke, de fysicus in Princeton die in 1966 een verklaring gaf voor de kosmische achtergrondstraling die door Arno Penzias en Robert Wilson werd ondekt was hem voor. Carter: 'In Princeton hield ik eens een lezing en er waren studenten die zeiden: dit hebben wij al gehoord, Dicke heeft zoiets al gezegd.' Zo ging ik Dicke bezoeken, en hij had, tien jaar vóór mij, inderdaad iets soortgelijks geformuleerd. Ik was te laat.'

Dicke ontwikkelde zijn argumenten in antwoord op een theorie van de Britse fysicus Paul Dirac. Dirac ontving in 1933, samen met Schrödinger, op zijn eenendertigste jaar de Nobelprijs voor ondermeer het voorspellen van het bestaan van antimaterie.

Dirac bestudeerde de merkwaardige verhoudingen die tussen bepaalde natuurconstanten bestaan. Omdat deze verhoudingen zeer grote waarden hebben, worden zij wel eens Dirac's 'grote getallen' genoemd. Dirac, Eddington en nog enkele anderen ontdekten in de jaren dertig dat de verhouding tussen de elektrische kracht en de gravitatiekracht tussen een elektron en een proton in een waterstofatoom gelijk is aan 10. Een tweede groot getal is de verhouding tussen de diameter van het heelal en de diameter van een elektron: 10. Een derde groot getal is het 'getal van Eddington' en is gelijk aan het aantal protonen in het heelal: 10. De coïncidentie ligt hierin dat de twee eerste grote getallen van dezelfde orde van grootte zijn, terwijl het derde getal ongeveer gelijk is aan het kwadraat van de twee eerste getallen.

Toeval

Dirac kon niet geloven dat deze coïncidenties op toeval konden berusten - het moest een fundamentele eigenschap van de natuur zijn. Wel was er een moeilijkheid: het is zo dat het heelal uitdijt, dus het tweede grote getal, de verhouding tussen de diameter van het heelal tot dat van een elektron, moet met de tijd toenemen. Daarom moest, volgens Dirac, ook het eerste grote getal steeds maar groter worden, en dit kan indien de gravitatieconstante (een getal dat aangeeft hoe sterk twee massa's elkaar aantrekken) almaar kleiner wordt.

Dicke was het hier niet mee eens. In 1961 legde hij de coïncidentie tussen de twee eerste grote getallen uit door aan te nemen dat de natuurconstanten zo moeten zijn dat wij, levende wezens, kunnen bestaan. Namelijk dan alleen kunnen wij het heelal en deze coïncidenties waarnemen - een regelrecht antropisch principe dus.

Hierop onstond een debat tussen Dirac en Dicke. Carter: 'Dirac bleef zijn opvattingen verdedigen tot in de jaren zestig. Hoewel men omstreeks 1930 zijn standpunt kon verdedigen, was dit in de jaren zestig door de vooruitgang in de astrofysica niet meer mogelijk.' Zo vormt het feit dat het zonnestelsel stabiel is gebleven gedurende 5 miljard jaren een bewijs dat de gravitatieconstante geen verandering kan hebben ondergaan.

Dicke's verwoording van het antropisch principe wordt de 'zwakke' vorm van het principe genoemd. Hij stelt alleen dat deze coïncidenties zich niet altijd voordoen, maar alleen dan voorkomen wanneer aan de fysische voorwaarden voldaan wordt die ons bestaan mogelijk maken.

Carter's definitie wordt de 'sterke' versie van het antropisch principe genoemd. Het stelt dat de waarden van de natuurconstanten in ons heelal niet op toeval berusten maar het resultaat vormen van een selectie-effect. Dit komt goed overeen met het idee dat er zeer veel - mischien wel oneindig veel - heelallen bestaan. In elke van deze heelallen komen dan verschillende natuurconstanten voor en wij zitten juist in dit heelal waar de waarde van natuurconstanten de ontwikkeling van intelligent leven mogelijk maken.

Het idee van een misschien wel oneindig aantal heelallen werd voor het eerst geopperd door Hugh Everett en John Wheeler. Van Wheeler komt het idee van een oscillerend heelal: elke van de vele big bangs wordt eerst gevolgd door een expansie van het heelal. Deze expansie vertraagt en wordt gevolgd door het opnieuw samentrekken van het heelal tot een 'big crunch' wat op zijn beurt wordt gevolgd door een nieuwe 'big bang', dan weer een big crunch, en zo verder.

Volgens de theorie van Everett ontstaat er een veelvoud van heelallen door een quantum effect. Men kan namelijk aannemen dat de wetten van de quantummechanica ook voor het gehele heelal moeten werken. Volgens deze interpretatie van de quantummechanica bestaat bijvoorbeeld een deeltje, zoals een elektron, niet in een bepaald gedefinieerde toestand, maar in een superpositie van toestanden. Alleen door een bepaalde meting uit te voeren, zoals de snelheid, gaat het deeltje in een bepaalde toestand zitten. De andere toestanden blijven nog bestaan, maar zij zijn niet waarneembaar. Deze interpretatie zou ook voor ons heelal gelden. Wij zitten in een van vele heelallen, ook 'quantum takken' genoemd, maar we kunnen de andere quantumtakken niet waarnemen.

Carter: 'Men kan zich indenken dat gravitatie iets is dat constant is in een bepaalde quantumtak, maar dat het in verschillende quantumtakken verschillende waarden kan hebben. De sterke versie van het antropisch principe zou dan uitleggen waarom in ons heelal de gravitatie juist de waarde heeft waarmee wij vertrouwd zijn.'

Waarom moeten de verhoudingen tussen de natuurconstanten juist de waarden bezitten die wij kennen en die het ontstaan van het leven op aarde mogelijk maken? Volgens Carter speelt de verhouding tussen de gravitatiekracht en de elektrische kracht een rol op de wijze waarop energie uit een ster naar buiten treedt: 'Energie kan uit het binnenste van een ster op twee manieren naar buiten treden, als straling en als convectie (deeltjestransport). Als de gravitatie sterker zou zijn geweest, dan zou de straling domineren in de energieoverdracht. Bij een zwakkere gravitatie treedt eerder convectie op. Nu denkt men dat deze convectie juist noodzakelijk is voor het ontstaan van planeten. Convectie zou in verband kunnen staan met het overbrengen van een draai-impuls naar de buitenkant van sterren. En we weten dat het grootste gedeelte van de draai-impuls van ons zonnestelsel niet in de zon zit, maar in de planeten, speciaal Jupiter.'

Evolutiesnelheid

Astronomen hebben berekend dat de zon nog zo'n 5 miljard jaar zal blijven voortbestaan voordat ze in een rode reus verandert en uitdooft. Carter: 'Het is een feit dat wij er juist op tijd zijn gekomen. Waren we maar met de halve snelheid waren geëvolueerd, dan zou de zon zijn uitgebrand voordat wij er konden zijn.'

Carter meent dat we door een nauwkeuriger studie van de evolutiesnelheid een betere schatting kunnen maken van het aantal planeetsystemen met intelligent leven. Elk type van Darwiniaanse evolutie hangt af van toevallige processen. Niet alleen het aantal van deze processen, maar ook de frequentieverdeling van de snelheden waarmee deze processen aflopen, speelt een rol. Wanneer het merendeel van deze processen traag verloopt, kunnen wij voorspellen dat de verdeling van de evoluties een maximum zal hebben bij de tijd waarin een typische ster opbrandt. Hieruit kunnen we twee dingen voorspellen: ten eerste, de evolutie verloopt dan met een snelheid die door het selectie-effect wordt toegelaten, en ten tweede, de ontwikkeling van intelligent leven komt uiterst weinig voor.'