In den beginne was er (g)een knal

Kosmologie Tijdens de Oerknal ontstond iets uit niets. Zegt de theorie. Maar sommige fysici zetten er vraagtekens bij. Borrelde de oerknal op uit een bad van donkere energie?

De Oerknal. Daarmee begon alles. Tijdens de Oerknal ontstonden energie en materie, en de drie ruimtelijke dimensies en de tijd – samen de ruimtetijd. De Oerknal liet 13,7 miljard geleden iets ontstaan uit niets – en daarna groeide dat iets uit tot de kosmos.

Dat leren wij al vijftig jaar van kosmologen, theoretisch fysici en astronomen. En als je erbij stil staat is het wonderbaarlijk: met steeds sterkere kijkers en telescopen halen mensen die verre kosmos pas sinds vier eeuwen dichterbij. Dat is krap driehonderdduizendste promille van dat 13,7 miljardjarige heelal. En toch hebben ze in die oogwenk de hele geschiedenis van het heelal opgetekend – in het verhaal van de Oerknal en van de keten van gebeurtenissen erna.

Of niet?

Sommige geleerden twijfelen daar nu aan. Zoals snaarfysicus en Spinozaprijswinnaar Erik Verlinde. Hij zegt: “Dat hele verhaal over wat er 1,10 of 20 seconde na de Oerknal gebeurde klinkt mij te veel als een scheppingsverhaal van gelovigen.”

Snoeihard vak

“Maar ho”, zegt kosmoloog Vincent Icke meteen. “Het Oerknalmodel is géén scheppingsverhaal, zoals elk van de zeven miljard aardbewoners er wel eentje kan bedenken. De kosmologie is een snoeihard vak.”

Het Oerknalmodel uit de kosmologie, bedoelt Icke, is gebaseerd op goed geverifieerde waarnemingen, op logische wiskundige redenaties en op de inzichten van fysici in de zwaartekracht, in de structuur van ruimte en tijd, en in de elementaire deeltjes die de bouwsteentjes van sterren en planeten zijn.

“Nou”, relativeert de vooraanstaande sterrenkundige Ed van den Heuvel. “Er zijn nog wel wat problemen. We hebben bijvoorbeeld geen idee waaruit de donkere energie en de donkere materie in het heelal bestaan.”

Geen klein probleem, want die onbekende en onzichtbare donkere energie en donkere materie beslaan volgens de huidige inzichten juist het overgrote deel – 96 procent – van het heelal. Of andersom: alle sterren, planeten, gasnevels, gassen tussen de sterren en andere zichtbare objecten, behoren tot een exotische kosmologische minderheid van 4 procent. En de huidige natuurkundige wetten mogen die minderheid dan glashelder beschrijven, ze zien klaarblijkelijk dus ook iets over het hoofd.

Verlinde wordt daarom een “beetje lacherig” van de stelligheid “waarmee mensen vertellen over de kosmos op 1 seconde na de Oerknal. Dan overschatten ze de natuurkundige wetten die tot dusver zijn ontdekt en miskennen wat nieuwe natuurkundige wetten ons nog zullen leren.”

Hij zet er een prikkelend gezichtspunt tegenover. “Misschien vormen donkere materie en donkere energie een reusachtig warmtebad waarin ons heelal is opgeborreld door faseveranderingen – zoals een belletje in een glas champagne.”

En hij herhaalt wat hij tijdens allerlei lezingen al zei: “Het Oerknal-idee, dat er zomaar iets uit niets zou zijn voortgekomen, heb ik nooit zo geloofd.” Al blijft ook als iets uit iets voortkwam (zoals een belletje uit champagne) natuurlijk het raadsel dat er ooit iets ontstond...

Eerst het Oerknalmodel zelf. Dat begint eigenlijk pas na de Oerknal, als de kosmos een minuscuul universumpje vol oersoep is. Volgens de inflatietheorie van de Amerikaanse fysicus Alan Guth en collega’s, groeit dat mini-universumpje min of meer spontaan in een razend tempo – zelfs sneller dan het licht. Wanneer die groeispurt om niet opgehelderde redenen daarna weer stopt, is een reusachtig groot universum ontstaan dat er toch in alle richtingen nagenoeg hetzelfde uitziet – ‘isotroop en homogeen’ is.

Dat universum is gevuld met een dunne, langzaam afkoelende oersoep. Daarin krioelen simpele atoomkernen en elektronen door elkaar tot ze na ongeveer 380.000 jaar zozeer zijn afgekoeld dat ze lichte atomen vormen: waterstofatomen (driekwart), heliumatomen (een klein kwart) en een beetje lithium. Het heelal wordt nu ook doorzichtig, want lichtstralen kunnen deze atomen redelijk ongehinderd passeren – iets wat in het hete oerplasma niet lukte.

Het mooie is intussen dat het heelal toch niet helemáál homogeen was. Er zaten kleine rimpelingen in de oersoep en die leiden er nu toe dat waterstof en helium op sommige plaatsen relatief dicht opeengepakt zijn. En daar, in die ophopingen die zich verder verdichten, ontstaan de eerste, zware sterren.

Ze staan aan het begin van een nieuwe keten. Want het gas dat sterren aan het einde van hun leven afstoten vormt de grondstof voor nieuwe generaties sterren. En de kernfusieprocessen in het hart van sterren verrijken zulk gas intussen met nieuwe, zwaardere elementen als stikstof, koolstof, zuurstof, ijzer enzovoorts. Zo ontstaan zelfs rotsachtige planeten als de aarde.

Achterstevoren afspelen

Dat verhaal kun je ook anders vertellen. Aan de hand van Einsteins relativiteitstheorie die de zwaartekracht beschrijft. Die zwaartekracht rangschikt sterren en planeten in grote sterrenstelsels waarvan er miljarden het heelal bevolken. En ordent de sterrenstelsels in grootschalige structuren die het universum vullen zoals zeepsop een gootsteen – met de sterrenstelsels op de ‘wanden van de bellen’.

De vergelijkingen laten bovendien zien hoe de zwaartekracht de ruimtetijd kan krommen. En fysici als de Russische Alexander Friedman konden er de formules uit afleiden voor het huishoudboekje van die dynamische kosmos, met energie en materie op de balans. Ze beschrijven wat de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble in 1929 zag: dat sterrenstelsels van elkaar vandaan bewegen – hoe verder weg, hoe sneller.

Het heelal dijt uit, constateerde Hubble, en juist dat inzicht leidde tot de Oerknalgedachte. Want met die formules kun je de ontwikkeling van het heelal net zo goed achterstevoren afspelen. En dan krimpt het – zelfs tot zulke kleine tijds- en afstandschalen dat de fysische wetten en formules er hun geldigheid verliezen. Dat is het punt waar kosmologen de Big Bang in het model schuiven, de echte Oerknal die ruimte, tijd, materie en energie zou hebben voortgebracht – al is volslagen onbekend hoe.

“Ik vind het eigenlijk heel mooi dat de theorie zo goed werkt dat hij zelfs precies het punt aanwijst waarop hij zijn geldigheid verliest”, zegt Icke. Maar: de theorie en de waarnemingen en experimenten schragen het Oerknalmodel verder juist stevig, benadrukken Icke, Van den Heuvel en theoretisch fysicus en Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft ook. De COBE- en WMAP-satellieten brachten bijvoorbeeld de kosmische achtergrondstraling in kaart die als de ‘gloed van de Oerknal’ achterbleef toen het heelal doorzichtig werd. De vorming van de elementen spoort met het door experimenten superprecies getoetste Standaardmodel van de elementaire deeltjes. En de leeftijden van de oudste sterren stemmen overeen met de nu geschatte leeftijd van de kosmos – er zijn er niet per ongeluk een paar veel ouder.

Allemaal helder dus? Nee. De inflatietheorie bijvoorbeeld, staat theoretisch heel sterk, maar kan niet uit waarnemingen worden afgeleid, schrijft ’t Hooft in een e-mail. Hoe goed ons beeld van de ontwikkelingsgeschiedenis van het heelal ook klopt met de waargenomen feiten, “het kan dus nog steeds fout zijn.”

Schuim op een duistere zee

Maar de meeste hoofdbrekens geven donkere materie en donkere energie. De bewijzen voor de donkere materie komen uit metingen, al sinds de jaren dertig, door sterrenkundigen als Jan Oort, Fritz Zwicky, Vera Rubin en hun opvolgers. Zij zagen dat de buitenste sterren van sterrenstelsels als onze Melkweg veel sneller rond het zware hart van die sterrenstelsels draaien dan je op grond van de zwaartekracht zou verwachten.

Zo rees het idee dat er rond sterrenstelsels een grote wolk onzichtbare materie ligt die óók aan de buitenste sterren trekt. Uit hun nieuwste metingen leidden astronomen zelfs af dat deze ‘donkere’ materie zo’n wijdvertakte structuur in het heelal vormt, dat sterrenstelsels, sterren en het gas tussen de sterren, erop drijven als schuim op de golven van een donkere zee.

Al charmeert dat idee van dark matter, opgebouwd uit nu nog onbekende elementaire deeltjes, niet iedereen. “Of ik in de Oerknal geloof, weet ik eigenlijk niet”, zegt theoretisch fysicus en Nobelprijswinnaar Martin Veltman. “Maar dat je op grond van de dynamica van sterrenstelsels zomaar een hele nieuwe materievorm veronderstelt, vind ik een lachertje. Het is altijd hetzelfde met die sterrenkundigen.” Hij bedoelt: ze kunnen geen modelheelal bouwen en dat in een lab op de pijnbank leggen. Ze kunnen alleen waarnemingen beschrijven. Veltman: “En als er dan nieuwe waarnemingen zijn, moeten die beschrijvingen weer helemaal anders.”

“Maar ja”, zegt astronoom Van den Heuvel. “Waarom zouden er geen deeltjes bestaan die de donkere materie vormen? Waarom zouden wij in 2012 alle elementaire deeltjes al ontdekt moeten hebben?” En dat denken ook de talloze fysici die met grote meetapparaten bij het Cern bij Genève, in het ijs van de Zuidpool, in de Middellandse zee, in Amerikaanse en Japanse mijnen en aan boord van satellieten proberen om deze onbekende deeltjes te pakken te krijgen.

Kasboek van de kosmos

Veel raadselachtiger is de donkere energie die niet met deeltjes kan worden verklaard. Deze onbekende energievorm zou de ruimte sinds zo’n vier miljard jaar steeds sneller oprekken en sterrenstelsels steeds sneller uiteendrijven – alsof de kosmos versneld uitdijt. De drie astronomen (Saul Perlmutter (1959), Brian Schmidt (1967) en Adam Riess (1969) die dat in 1998 ontdekten aan de hand van verre supernova’s, kregen daarvoor vorig jaar de Nobelprijs. “Terecht”, zegt Van den Heuvel. “Hun vondst staat sterk. Metingen aan de kleine rimpels in de kosmische achtergrondstraling, onafhankelijke supernovametingen en simulaties hebben hem bevestigd.”

De vondst leidt wel tot een gekke constatering. Want wie het kasboek van de kosmos opnieuw opmaakt, ziet daarin dan dat mensen precies in het heelal opdoken toen de materiedichtheid (die sterrenstelsels bijeen drijft en het heelal laat krimpen) en de energiedichtheid (die sterrenstelsels uiteen drijft en het heelal oprekt) nagenoeg even groot waren. Waren ze miljarden jaren later tevoorschijn gekomen, dan waren omringende sterrenstelsels al lang uit zicht verdwenen (omdat het licht van de snel wegvliedende stelsels de aarde niet meer had kunnen bereiken). Zulke mensen hadden de illusie gehad dat het heelal bestond uit het Melkwegstelsel en verder niets. Ze hadden, zeggen astronomen met opgewekte ironie, geen spoor van de Oerknal teruggevonden.

Wat vindt Verlinde die “niet zo in die Oerknal gelooft”? Hij probeert de ruimtetijd niet langer te zien als een toneel waarop materie beweegt onder invloed van krachten, zegt hij. In plaats daarvan ziet hij een warmtebad van donkere energie en donkere materie waaruit een heelal met ruimtetijd, en met materie en energie in tevoorschijn bubbelt. En weer in ten onder gaat.

De zwaartekracht zou in die optiek tegelijk met de ruimtetijd en energie en materie ‘uitkristalliseren’ en donkere materie zou een bijproduct zijn (zie kader). En: die donkere materie zou volgens Verlinde niet uit deeltjes bestaan. “Als die toch gevonden worden, breekt mijn klomp”, zegt hij.

En ja, geeft Verlinde toe, die gedachten raken aan het allereerste begin van de kosmos. De rest van het Oerknalmodel stelt hij als beschrijving van de zichtbare kosmos niet per se ter discussie.

En inderdaad, beaamt hij verder, de theoretische onderbouwing van dit alles moet hij nog geven – met pen, papier en peinzen, met een sabbatical in de VS én met 4,5 miljoen euro van de Spinozapremie en van de Europese Unie. “Nu probeer ik vooral om collega’s te prikkelen tot meedenken.”

Altijd verwarring

Die collega’s zijn beleefd, én terughoudend. “Fysici moeten het maar onderling uitvechten”, zegt Van den Heuvel.

“Ik begrijp de details van deze theorie nog niet goed genoeg, waardoor ik niet kan zien hoe je hiermee verder kunt”, schrijft ’t Hooft. “Natuurlijk wil je dat zo’n theorie bepaalde problemen opheldert, maar hoe exotischer de aannames, des te strenger zullen de vereisten zijn betreffende de bewijsvoering voor iemand je serieus neemt...”

Volgens ’t Hooft is het bovendien een misverstand om te denken dat kosmologen en fysici extra verward zijn nu het grootste deel van het heelal zoek is. “Er is altijd verwarring geweest. En er is (vooralsnog) zeker geen sprake van een impasse. Er zijn nog allerlei interessante plannen voor nieuwe waarnemingen die misschien meer helderheid kunnen geven. En natuurlijk kunnen er ook nog allerlei nieuwe theoretische inzichten komen...”

Kosmoloog Icke houdt het erop dat het paadje naar nieuwe inzichten waarschijnlijk begint bij donkere energie en donkere materie. “Het wachten is op iemand die met een frisse blik naar de gegevens kijkt en ineens zegt: hé, dat is gek! Hoe kunnen we dat verklaren?”