De vele wegen naar het multiversum

Natuurkunde Er is geen enkel bewijs voor, maar toch wordt onder fysici druk gespeculeerd over het idee dat er meer dan één heelal is.

Margriet van der Heijden

Dat krijg je ervan als je een boek leest over parallelle universums. Ergens onderweg tussen Italië en Schotland verdween het spoorloos. “Dat ligt nu natuurlijk in een ander universum”, zeiden de dochters. Maar gelukkig had boekhandel Waterstones in Edinburgh nog een exemplaar van The Hidden Reality, het nieuwste boek van de populaire Amerikaanse auteur en snaarfysicus Brian Greene.

Greenes eerdere boeken – The Fabric of the Cosmos en The Elegant Universe over ruimte, tijd, de kosmos en de snaartheorie – waren bestsellers en met zijn naar Richard Gere neigende uiterlijk deed hij het ook goed als presentator van een op die boeken geïnspireerd tv-programma. Een paar jaar geleden kwam hij zelfs naar Amsterdam om onder de kroonluchters van het Koninklijk Paleis aan onze majesteit uit te leggen ‘hoe de kosmos in elkaar steekt op het allerfundamenteelste niveau’.

In zijn nieuwste boek gaat Greene een stap verder. Hij overdenkt niet ons eigen heelal, maar vraagt zich af: bestaan er daarnaast nog andere werelden? Is onze kosmos er maar eentje onder velen?

Niet dat er voor die gedachte een spoortje bewijs is: ‘het idee is ontzettend speculatief’, schrijft Greene zelf. Maar volgens hem is er toch een goede reden om maar liefst 300 pagina’s te wijden aan de mogelijkheid van zo’n multiversum – het bestaan van veel heelallen dus. Want, schrijft hij: ‘ik vind het zeer opmerkelijk dat je, wanneer je uiteenlopende ideeën en theorieën in de natuurkunde verder doortrekt, telkens op een multiversum uitkomt.’

Daar komt nog bij, schrijft Greene aan het einde van zijn boek: als we willen weten waar onze grenzen liggen, moeten we niet bang zijn. Niet bang zijn, bedoelt hij, om de consequenties van theorieën en ideeën helemaal te doordenken, zelfs als ze bizar of ongeloofwaardig lijken.

En dat is natuurlijk zo. Ook aan baanbrekende theorieën uit het verleden, denk aan de relativiteitstheorie of de quantummechanica, lagen bizarre ideeën ten grondslag. Hoe ongeloofwaardig leek niet de constante lichtsnelheid die de relativiteitstheorie schraagt? Hoe raadselachtig leek en lijkt niet het ‘gokgedrag’ van quantumdeeltjes? Het is dus niet bij voorbaat uit te sluiten dat woeste meerwereldenspeculaties een voorbode zijn van nieuwe inzichten.

Greene neemt er alvast een voorschot op. Misschien, schrijft hij, zal het antwoord op Einsteins vraag of ons heelal zijn unieke eigenschappen heeft omdat er nu eenmaal geen ander heelal mogelijk is, ooit heel duidelijk blijken te zijn: Nee hoor, er zijn wél andere universums.

Maar zo ver is het bij lange na nog niet – als het überhaupt zo ver komt. Duidelijk is vooral: het multiversum-idee hangt in de lucht.

Dubbelgangers

Het idee van parallelle werelden heeft natuurlijk iets aanlokkelijks. Lang geleden inspireerde het schrijvers al tot boeken als Alice’s adventures in Wonderland (1865) en The Wizard of Oz (1900) waarin de hoofdpersonen in een ander, wonderlijk universum belanden. De afgelopen jaren verleidde het regisseurs tot films als Lola rennt (1998) en The Source Code (2011) waarin gebeurtenissen in parallelle werelden telkens een net iets andere loop nemen.

Volgens Greene zou het zo kunnen zijn: ‘In sommige van deze werelden leest jouw dubbelganger nu ook deze zin, gelijk op met jou. In andere is hij of zij al een paar bladzijden verder, of had hij trek in een snack en legde het boek daarom weg. In weer andere werelden is hij of zij minder goed terechtgekomen en zou je hem of haar liever niet tegen het lijf zou lopen in een donker steegje.’

De ultieme bron van zelfontplooiing, kortom. Maar ook: sciencefiction. Vooralsnog. Hoe komen fysici tot hun speculaties erover?

Lappendeken

Een simpel vertrekpunt is één – voor het dagelijks leven irrelevante – vraag, schrijft Greene. Is het heelal vreselijk groot of is het oneindig?

Zou het heelal werkelijk oneindig zijn, dan kun je het namelijk vergelijken met een lappendeken. Elk lapje daarin is een rondje (eigenlijk natuurlijk: een bol) met een straal van 13,7 miljard lichtjaar. Ofwel: precies de maximale afstand die lichtstralen (of: lichtdeeltjes) sinds de oerknal, 13,7 miljard jaar geleden, konden afleggen.

Eén zo’n lapje zou je bijvoorbeeld met het midden op onze aarde kunnen leggen. Dan bedekt het precies het gebied waarbinnen astronomen sterren en verre sterrenstelsels kunnen waarnemen, omdat het licht daarvan de afstand naar de aarde nog net heeft kunnen overbruggen. Alle andere lapjes – oneindig veel – zijn vanaf aarde onzichtbaar. Net zoals ‘ons lapje’ onzichtbaar is vanuit andere lapjes. Sterker, omdat niets sneller kan reizen dan het licht, kunnen verre lapjes op geen enkele manier met elkaar communiceren. Ze vormen gescheiden werelden.

Hoe zien die verre werelden eruit? Het is niet gek om aan te nemen, schrijft Greene, dat ze gevuld zijn met dezelfde deeltjes die de grondstof van onze sterren en planeten vormen. Verder is het best aannemelijk dat deze deeltjes overal aan dezelfde fysische wetten zijn onderworpen. Zulke wetten dicteren hoeveel deeltjes er maximaal in één lapjeswereld kunnen bestaan. Daarna is vrij eenvoudig uit te rekenen op hoeveel manieren zoveel deeltjes zich kunnen rangschikken. Onnoemelijk veel dus – zoveel als 10 met 10122 nullen erachter, schrijft Greene.

In de ene wereld zullen zo misschien planeten ontstaan waarvan wij niet hadden kunnen dromen, in een andere wezens die wij ons niet kunnen voorstellen... Maar toch: onnoemelijk veel is niet hetzelfde als oneindig. Ergens in de oneindige lappendeken moeten de werelden zich dus herhalen, al dan niet met variaties, en ook weer tot in het oneindige. En dan, ja, dan stuit je dus op Greenes steegje of op Lola die door de scenario’s van haar leven rent.

Tenminste, als inderdaad overal in het heelal dezelfde fysische wetten regeren. Als inderdaad het heelal oneindig is. En als discussies over het begrip oneindig voor het gemak worden vermeden.

Bellenuniversum

Maar: er zijn meer wegen om tot een multiversum te komen. Via de ‘inflatietheorie’ bijvoorbeeld. Die theorie, in 1979 geopperd door de Amerikaanse fysicus Alan Guth en verfijnd door onder meer zijn Russische collega Andrei Linde, moet verklaren waarom het waarneembare heelal zo verschrikkelijk homogeen is. Sterren en sterrenstelsels baden in achtergrondstraling die stamt van vlak na de oerknal en die volkomen gelijkmatig over de ruimte is verdeeld.

Hoe kan dat? Hoe kunnen gebieden aan de randen van ons waarneembare heelal er hetzelfde uitzien? Terwijl ze soms gescheiden worden door 27 miljard lichtjaar en dus nooit informatie hebben kunnen uitwisselen – omdat zelfs licht geen tijd had die afstand te overbruggen?

De inflatietheorie biedt een oplossing door te veronderstellen dat kort na de oerknal de ruimte zelf in vliegende vaart is uitgedijd, vele malen sneller dan het licht. Zo zou het pasgeboren en homogene miniheelal in één klap tot een reusachtige, homogene ruimte zijn opgezwollen. Pas daarna klonterde de materie daarin samen tot sterren en planeten. En voor kritische lezers: dat die inflatie wél sneller dan het licht verloopt, komt doordat het hier geen voorwerpen of deeltjes betreft die dóór de ruimte reizen; het is de ruimte zelf die uitdijt.

Enfin, de hele machinerie daarachter staat in Greenes en Guths boeken. De clou is: als inflatie ons heelal zou hebben ‘opgeblazen’, dan is er geen enkele reden waarom zoiets niet veel vaker zou zijn gebeurd. Of nog zal gebeuren. Anders gezegd: onze kosmos zou een belletje zijn in een reusachtig bellenmultiversum.

En ja, ook nu zouden overal dezelfde fysische wetten heersen. Maar in verschillende ‘bellen’ zouden ze heel anders kunnen uitpakken, omdat de bijbehorende fysische parameters tijdens inflatie heel verschillend kunnen worden afgesteld. Het enorme bellenmultiversum zou vermoedelijk goeddeels onbewoonbaar zijn, concludeert Greene, met onze eigen kosmos als ‘zeldzame oase.’

Nou ja, als de nog onbewezen inflatietheorie grond in de werkelijkheid blijkt te hebben en ook de andere aannames kloppen.

Elf dimensies

Natuurlijk gaat Greene ook in op kosmische voorspellingen uit de snaartheorie. Een zeer speculatieve theorie die nog helemaal niet bewezen is, schrijft hij, behoedzamer dan in zijn eerdere boeken. Mede dankzij die boeken is intussen overbekend dat er volgens de snaartheorie geen drie, maar elf dimensies bestaan. De minuscuul kleine snaartjes die in deze elf dimensies trillen, zouden zich in onze driedimensionale wereld manifesteren als de tastbare deeltjes waaruit de wereld is opgebouwd.

Minder bekend is dat de snaartheorie ook ‘branen’ veronderstelt, meerdimensionale vormen waarvan zelfs theoretisch fysici zich amper een voorstelling kunnen maken. Om het driedimensionale braan te beschrijven waarvan ons universum doortrokken zou zijn, vertalen ze de situatie daarom meestal naar twee dimensies.

Het resultaat is een eindeloos uitgestrekt laken, een tweedimensionaal braan, waarop ergens ook volkomen platte wezens vertoeven. De derde dimensie kunnen deze platwezens onmogelijk waarnemen. Dus hebben ze niet in de gaten dat er in die derde dimensie andere ‘lakens’ zweven – soms maar op een haardikte afstand. Of zelfs op ramkoers.

En voilà, zo komt alweer een multiversum tevoorschijn. Want terugvertaald naar drie dimensies zijn wij natuurlijk zelf die platwezens die geen oog hebben voor wat zich in al die andere dimensies afspeelt.

Worden de onbewezen inflatietheorie en de speculatieve snaartheorie daarna gecombineerd, dan levert dat zelfs een staalkaart op met 10500 mogelijke universums. Het ‘landschap’ heet dit multiversum. Het biedt bijna voor elk wat wils, en in ieder geval ook universums waarin de fysische parameters bijna net zo, en zelfs precies zo, zijn afgesteld als in onze kosmos.

Einsteins vraag

Zulke inzichten zetten Einsteins zoektocht naar de grondslagen van het heelal op een ander spoor. En ze leiden tot een heel ander antwoord op de grote vraag van fysici en kosmologen waarom de fysische parameters van onze kosmos zo vreselijk fijnzinnig zijn afgesteld. Zo fijnzinnig bijvoorbeeld, dat het heelal niet bezwijkt onder zijn eigen gewicht, maar ook niet is vervlogen tot een donkere lege ruimte zonder perspectief op levensvormen.

In een multiversum zoals het landschap luidt het antwoord eenvoudigweg: wij vinden voor de parameters de waarden die we vinden, omdat wij eraan meten. In een andere kosmos, met parameters die geen intelligent leven lieten opbloeien, tja, daar stelt simpelweg niemand Einsteins vraag. Ofwel: het is zoals het is. Daar komt dit antropisch principe (zo wordt dit gezichtspunt genoemd) op neer.

Dat is een enorme ommekeer. Een teruggang, zeggen critici. Sinds Copernicus is de mens steeds verder uit het centrum van de kosmos geraakt. De aarde bleek om de zon te draaien, de zon bleek een van talloze sterren in het melkwegstelsel, het melkwegstelsel bleek een van talloze sterrenstelsels in het universum, en harde fysische wetten dicteerde hun functioneren. En nu, door te veronderstellen dat ook het universum er maar eentje is van talloze, zou ineens de mens weer centraal staan. Want: alle parameters van de kosmos zouden dan precies zo zijn uitgevallen dat die mens kon ontstaan.

Hogere speculaties

Op dit punt is het goed om het recente Higher Speculations erbij te pakken, een boek van de gerenommeerde Deense wetenschapshistoricus Helge Kragh. Het thema ervan is dat speculatieve ideeën die vroeger bij de open haard werden besproken, nu steeds vaker in de officiële natuurwetenschap belanden.

In Kraghs beleefde woorden: ‘De publicaties van fysici, sommige van groot aanzien, vertonen een neiging om onbelemmerd domeinen te verkennen die volgens de traditionele inzichten ontoegankelijk zijn voor fysische methoden.’ Het multiversum en het antropisch principe zijn er volgens Kragh voorbeelden van.

Nieuw is het idee van een multiversum niet, lezen we. De Griekse filosoof Epicurus suggereerde 300 jaar voor Christus al dat er oneindig veel werelden bestaan, ‘zoals de onze en anders’. Maar zulke ideeën waren filosofisch van aard en dat bleven ze in de 22 eeuwen daarna.

Kragh bespreekt allerlei multiversums. Van eentje waarin uiteenlopende heelallen onderdak bieden aan alle denkbare wiskunde, tot het quantumuniversum van Hugh Everett uit 1957 waarin dubbelzinnige quantumtoestanden van deeltjes zich in parallelle werelden uitkristalliseren. Maar het ‘landschap-multiversum’ en het antropisch principe krijgen de meeste ruimte.

Toen de jonge Australische fysicus Brandon Carter dat antropisch principe in 1974 publiceerde, legde hij geen verband met een multiversum, schrijft Kragh. Carter wilde slechts begrijpen waarom alle fysische parameters van de kosmos zich zo perfect tot elkaar verhouden. En felle kritiek was zijn deel. Want: als je zegt dat die parameters zo moeten zijn omdat er anders geen menselijk leven had kunnen ontstaan, dan zeg je in feite dat er een doelgerichte God aan het werk is geweest of een andere intelligente ontwerper.

Die kritiek trof geen doel meer toen het antropisch principe twintig jaar later gecombineerd werd met een landschap-multiversum. Dat er in een landschap met eindeloos veel heelallen ook een kosmos bestaat met leven erin, kan dan ‘gewoon’ statistisch aannemelijk worden gemaakt.

Maar toch. Niet bang zijn om theorieën door te denken is één ding, zeggen critici. Erover publiceren in vakliteratuur een ander. Want: in serieuze natuurwetenschap moeten nieuwe theorieën voorspellingen doen die in experimenten getoetst kunnen worden. Maar dat is onmogelijk voor parallelle universums die in tijd en ruimte voorgoed van ons gescheiden zijn. Erger, de theorie waaruit hun bestaan wordt afgeleid, is voorlopig evenmin te toetsen. Wat heeft dat nog met wetenschap te maken? En dan: wat blijft van de natuurwetenschap over als je klakkeloos aanneemt dat de dingen zijn als ze zijn omdat ze kennelijk zo moesten zijn?

Snaarfysicus en landschap-aanhanger Leonard Susskind lag het zwaarst onder vuur. Hij suggereerde dat de fysica, die steeds mathematischer en abstracter is geworden, misschien op een punt is gekomen waarop de strenge eisen van toetsing wat achterhaald zijn. Wat, zeiden critici scherp, is dan nog het verschil tussen kosmologen en fysici die onbewijsbare multiversums veronderstellen, en homeopaten die zich op onbewijsbare genezende krachten beroepen?

Homeopathisch boek

Kraghs boek spoort aan om die kritiek serieus te nemen. Want ook ideeën die op papier veelbelovend lijken, kunnen later in de harde praktijk in de vergetelheid glijden, laat hij met voorbeelden zien. Het kan de multiversum-gedachte en het antropisch principe ook overkomen, als de natuur toch anders in elkaar blijkt te zitten dan nu wordt vermoed. Dat hoeft niet, natuurlijk. Maar de beleefde Kragh klinkt sceptisch over de toekomst van deze speculaties.

Tot slot, heeft Brian Greene dus een homeopathisch boek geschreven? Nee, zijn waarschuwende bijsluiters over speculaties hebben hem daarvoor behoed. Bovendien, homeopathisch of niet, het idee van parallelle universums blijft aanlokkelijk – al is het maar als gedachte-experiment in boeken en films. Lola is nog niet van het toneel.

    • Margriet van der Heijden