Voor de oerknal

WAT WAS ER vóór de oerknal? Voor de leek een brandende kwestie, maar geen kosmoloog die er zich druk om maakt. Zinloze vraag, zal hij zeggen, zoiets als op de Noordpool staan en naar het noorden willen. We leven in een uitdijend heelal. Draai de film van de kosmos terug en de uitkomst zal zijn dat alles, van sterrenstelsels tot intergalactisch stof, 13,7 miljard jaar geleden uit één punt ontsproten is. Die singulariteit markeert het begin van ruimte en tijd. Daarvoor en daarbuiten, aldus de heersende opvatting, hebben we niets te zoeken.

Toch zijn er theoretisch fysici die nadenken over een pre-oerknal-universum. Een van hen, Gabriele Veneziano, komt deze maand aan het woord in Scientific American. Veneziano was eind jaren zestig vader van de snaartheorie. Die was bedoeld om de wereld binnen de atoomkern te beschrijven, faalde jammerlijk, om in de jaren tachtig een wederopstanding te beleven als theorie die gravitatie (zwaartekracht) en quantummechanica (die de elementaire deeltjes beschrijft) onder een noemer brengt. Zo'n overkoepelende theorie is in omstandigheden à la de oerknal onmisbaar. Snaartheorie, veelbelovend maar lang niet af, werkt niet met puntdeeltjes (elektronen, quarks) maar met minuscule trillende `elastiekjes'. Om wiskundig te kunnen functioneren heeft de theorie elf dimensies nodig. De aardse waarnemer ervaart er vier (drie voor de ruimte, een voor de tijd) omdat er zeven zijn `opgerold'.

Over de oorsprong van tijd heeft een stoet filosofen en theologen zich het hoofd gebroken. Beredeneerde Aristoteles dat de tijd begin noch einde kende, kerkvader Augustinus plaatste God buiten ruimte en tijd en liet hem via de Schepping een en ander in gang zetten. Wie informeerde naar Gods bezigheden vóór de Schepping kreeg als antwoord dat tijd deel uitmaakte van die Schepping en dat er geen `vóór' bestond. Einsteins algemene relativiteitstheorie voorzag in een dynamisch heelal (zelf voerde hij een `kosmologische constante' in om het statisch te houden), waarna Edwin Hubble in de jaren twintig de kosmologische expansie ontdekte. Roger Penrose en Stephen Hawking ten slotte bewezen in de jaren zestig de onontkoombaarheid van de singulariteit: de oerknal als begin der tijden.

De snaartheorie zet dit alles op zijn kop. Snaren vermijden oneindigheden en daarmee de paradoxen die de singulariteiten teisteren. Wie in deze aanpak de film terugdraait zal een ruimte ervaren die steeds sterker gekromd raakt, tot er een maximum gepasseerd wordt en de kromming weer afneemt. Het is allemaal nogal speculatief, maar twee scenario's duiken steeds op. In het eerste is de oerknal niet de oorsprong van het heelal maar een `explosieve' overgang van een kosmos die versneld uitdijt naar een die vertraagd uitdijt. Dat levert een oneindig heelal op: aan de huidige kosmos ging een gespiegelde kosmos vooraf. Ooit was dat eerste heelal vrijwel leeg, maar op een gegeven moment zette een samenklontering van materie in, vormden zich zwarte gaten en liep de kromming van de ruimte op tot een maximum. Het binnenste van een van die zwarte gaten, aldus de theorie, promoveerde tot ons huidige heelal.

Scenario twee heet het ekpyrotische heelal. Dat behelst een moederuniversum van vijf dimensies waarin, evenwijdig aan elkaar, vlakke vierdimensionale zusterheelallen zweven die al dan niet met massa en energie zijn gevuld. Die zogeheten branen trekken elkaar aan en kunnen botsen. De oerknal is in de ekpyrotische visie het directe gevolg van zo'n botsing. Ons huidige versneld uitdijende heelal zou wel eens de voorbode kunnen zijn van een aanstaande nieuwe botsing.

Veel fysici zullen deze esoterische snaartheoretische bespiegelingen wegzetten als metafysisch gepraat. Dat verandert zodra er voor het pre-oerknal- dan wel ekpyrotisch heelal experimentele ondersteuning te vinden is. Dat zal overigens nog een hele dobber worden. Snaartheoretici hebben vooral hun hoop gevestigd op kosmische achtergrondstraling, een relict van de oerknal waarmee het heelal is doordrenkt. Die straling bevat kleine temperatuurfluctuaties en de patronen daarin kunnen kosmologische theorieën maken en breken. De verwachting is dat de Europese Planck-satelliet, die in 2007 gelanceerd wordt, nauwkeurig genoeg meet om scheidsrechter te kunnen spelen. Ook zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in de ruimtetijd, kunnen vingerwijzingen leveren – de eerste detectoren dienen zich aan. Intussen ziet Aristoteles zijn kansen stijgen.

Wie dit alles een brug te ver is: het meinummer van Scientific American bevat ook prozaïscher onderwerpen. Milieuvoordelen van de waterstofeconomie worden gewogen (en licht bevonden), er is aandacht voor aanstaande verbeteringen in het Global Positioning System (GPS) dat piloten, zeezeilers en bergwandelaars terzijde staat en er is een discussie over de vraag of de theorieën van Freud met moderne biologische beschrijvingen van de hersenen zijn te verenigen. Ook na de restyling staat Scientific American op eenzame hoogte.

Tijdschrift: Scientific American. Mei 2004. Losse nummers: 8,25 euro.