Cultuur

Interview

Interview

Andrei Linde en Renata Kallosh. Ondanks zijn gespalkte knie, kwam Linde voor de foto naar boven, naar het dakraam.

Foto Merlijn Doomernik

Wij leven in een lappendeken van mini-heelallen

Kosmologie

Het echtpaar Renata Kallosh en Andrei Linde probeert al jaren samen het heelal te verklaren. De twee fysici zien genoeg aanwijzingen voor het bestaan van een multiversum. Ondanks alle kritiek.

Renata Kallosh staat op het dak van haar tijdelijke woning in Leiden. Een zee van pannendaken strekt zich uit, een stukje Rijn glinstert en de toren van de Pieterskerk reikt naar de grijze wolken. „In het zonlicht is het nog mooier.”

Deze zomer (het gesprek was in juni) is Kallosh – geboren in Oekraïne en nu hoogleraar theoretische natuurkunde in Stanford – in Leiden als Lorentz-hoogleraar. Ze is de eerste vrouw op deze positie, na 63 zomers met mannen. Haar eigen man, kosmoloog Andrei Linde uit Rusland en óók hoogleraar in Stanford, mocht wel mee. Hij zit in de woonkamer, met een gespalkte knie wegens een fietsongeluk.

„Zo jammer met dat dak”, vinden ze allebei, en stappen dan over op andere zaken. Op wiskunde, de natuur, de kosmos en hoe die te begrijpen valt. Linde is daarbij de man van de grote ideeën. Hij raakte gegrepen door de natuurkunde toen zijn ouders, beiden fysicus, hem tijdens een lange autoreis naar de Zwarte Zee twee boeken over astrofysica en de relativiteitstheorie te lezen gaven. „Zo mooi, zo interessant, zo uitdagend.”

Kallosh is wiskundiger, preciezer. Voor haar, zegt ze bondig, was „wiskunde, of mathematische fysica, altijd al de enige keuze.” Net als Linde studeerde ze wis- en natuurkunde in Moskou en promoveerde er vervolgens aan het befaamde Lebedev Instituut. Daar vroeg Linde zich tijdens een lezing af wie „die vrouw met dat mooie gezicht” was. Hij wist haar voor zich in te nemen met Russische poëzie – Mandelstam, Achmatova en meer – die hij uit het hoofd kende.

Hij lacht. „Mensen waarschuwden ons toen we wilden trouwen. Jullie praten straks enkel over je werk.” Maar dat was niet zo. „Zij is een expert in superzwaartekracht, snaren, extra dimensies… ik begrijp dat werk toch niet.” Bovendien: „Zij hield het af en wilde niet samen aan hetzelfde werken.” Kallosh lacht ook en haar gezicht licht op. „Ik wilde mijn eigen dingen doen, een eigen carrière opbouwen.”

Daarvoor was ruimte in de Sovjet-Unie. „We hoefden geen les te geven en waren vrij om te werken waaraan we wilden in een omgeving die creatieve en intellectuele prestaties waardeerde in plaats van geld en inkomen”, zegt Linde. „Maar er was ook het isolement: brieven van buitenlandse collega’s kwamen pas na een maand aan; op toestemming om in een internationaal tijdschrift te publiceren moest je maanden wachten.”

Ze werkten op dezelfde afdeling als de beroemde dissident Andrei Sacharov en lagen onder een vergrootglas. „Men probeerde ons over te halen slechte dingen over hem te zeggen”, knikt Kallosh. Het was een geluk dat de befaamde Britse fysicus Stephen Hawking haar vroeg om een jaar in Cambridge te komen werken. „Dat veranderde voor mij alles ten goede.”

Andrei Linde en Renata Kallosh. Foto Merlijn Doomernik

Kallosh’ werk lag in die jaren „zo ver als mogelijk van dat van Andrei af”. Het was abstract en wiskundig: ze verdiepte zich in het idee van superzwaartekracht dat diepe symmetrieën in de natuur veronderstelt, dat zo Einsteins beroemde relativiteitstheorie probeert te generaliseren, én dat in nauw verband staat met de trillende snaartjes en trommelvelletjes die volgens snaarfysici aan de kosmos ten grondslag liggen.

Dat Hawking haar bijdragen hieraan waardeerde, was voor haar cruciaal. Het straalde op haar af. Ze kon niet langer worden weggezet als ‘vrouw van’. „Dat overkomt vrouwen ook nu nog vaak. Ik zie het in de VS waar veel mensen nog steeds vinden dat mannen geschikter zijn voor wis- en natuurkunde.” Linde, aan de andere kant van de tafel, knikt. En nee, hij vindt dat nu niet en destijds ook niet. „Ik vond het fijn om een intellectueel uitdagende partner te hebben.”

Tolk bij Hawking

Niet veel later, in 1982, gaf Hawking ook Lindes carrière een boost. Linde trad min of meer spontaan op als tolk bij een lezing van Hawking op het astrofysisch instituut van Moskou. „Destijds sprak hij al met moeite [Hawking heeft ALS, red.]. Hij liet een student vertellen en vulde dan aan. Het ging langzaam.” Nòg lastiger was dat Hawking omstandig uitlegde dat een recent idee van Linde – over de ‘inflatie’ van het piepjonge heelal – niet kon werken. „Ik was jong, de zaal zat vol mensen die ik nodig had voor mijn carrière en ik moest een half uur lang vertalen dat mijn werk niet klopte.”

Pas na afloop durfde Linde te zeggen dat Hawking het volgens hem niet helemaal goed zag en in een werkkamer praatten ze nog lang na. Het instituut was in rep en roer – waar was de beroemde Engelse professor gebleven? – maar een warm contact bloeide op. Hawking bleef Linde volgen terwijl die koppig vasthield aan het idee van inflatie en dat probeerde te verfijnen.

Dan veert Kallosh op, klapt haar laptop open, en springt naar het heden. Het idee van inflatie ligt nog altijd onder vuur. Veranderd is dat Kallosh en Linde er nu ook samen aan werken. Ze laat resultaten daarvan zien, en beelden van Eschers ‘Cirkellimiet IV’ (een schijf met engelen en duivels die naar de randen toe steeds meer krimpen) die een goede metafoor biedt voor hun gezamenlijke werk.

De crux van de inflatietheorie – rond 1980 onafhankelijk ontwikkeld door de Russen Alexei Starobinsky en Linde en de Amerikaan Alan Guth – is nog steeds dezelfde: verklaren waarom het heelal zo groot is en zo gelijkmatig met sterrenstelsels besprenkeld. Die sterrenstelsels zouden voortkomen uit het hete gas waarmee de kosmos kort na de Oerknal gevuld was, en metingen aan stokoude kosmische straling bevestigen keer op keer dat dit gas inderdaad ook toen al gelijkmatig was verdeeld.

Maar waarom? De kosmos is, én was destijds al zo groot dat zelfs licht te traag zou zijn geweest om van de ene naar de andere uithoek te reizen. Waardoor konden de materie en energie in dit gas zich dan wel gelijkmatig verspreiden? Daar komt bij dat de geometrie van het universum heel evenwichtig is. Het heelal dat wij waarnemen is ‘vlak’: parallelle lijnen snijden elkaar niet en de hoeken van een driehoek tellen op tot 180 graden. Terwijl de ruimte gekromd zou zijn als de massa-en energieverhoudingen maar een pietsje anders waren. De kosmos zou dan bijvoorbeeld met een klap weer in elkaar gestort zijn (als massa overheerste) of juist steeds kouder en leger uiteen vlieden (als energie overheerste).

Volgens de inflatietheorie is het allemaal te verklaren doordat de piepjonge kosmos in een biljoenste van een biljoenste van een biljoenste seconde zou zijn ‘ontploft’ van minder dan een punt tot iets enorms. Elke oneffenheid en onbalans zou daarbij zijn gladgestreken. Zoals van de Himalaya weinig zou overblijven wanneer je de aarde in een vloek en een zucht – preciezer: tijdens een exponentiële expansie – tot groter dan het zichtbare heelal zou opblazen.

Omdat wij alleen ons eigen stuk van de kosmos zien, denken wij ten onrechte dat het overal is zoals hier

Net als Kallosh’ werk raken zulke ideeën aan stokoude vragen: Waar komt alles vandaan? Wat is onze plek in het geheel? Maar Kallosh’ interesse voor de inflatietheorie werd pas gewekt toen haar Nederlandse collega Peter Nieuwenhuizen haar in 1989 aansprak, tijdens een jaar op de theorieafdeling van het Cern (samen met Linde). „Het wordt tijd om het werk van je man aandacht te geven, zei hij. Jouw situatie is uniek. Jij kunt uit de eerste hand alles leren over de kosmologie.”

Bij uitstek zou Kallosh verbanden kunnen leggen tussen ideeën over de kleinste schalen van de kosmos en die over de kosmos op grote schaal. En die aansporing kreeg meer gewicht toen zij en Linde diezelfde zomer het aanbod kregen om allebei hoogleraar te worden in Stanford in de VS. „Ik kende Stanford niet”, lacht Kallosh. Speelde mee dat het einde van de Sovjet-Unie zich aftekende? Tijdens de lunch raadpleegde ze een collega uit Parijs. „En die”, vult Linde met een armzwaai aan. “zei twee dingen in één zin: je kan natuurlijk niet serieus overwegen naar zo’n culturele woestijn te verhuizen, maar de meeste mensen zouden een moord plegen voor zo’n aanbod.”

Ze gingen. Linde: „We waren uit Moskou vertrokken met het idee terug te keren. Mijn ouders leefden nog. We hadden er onze vrienden. Ons huis. Het was niet makkelijk.” Kallosh: „Maar Stanford was geen culturele woestijn. En we zijn nog altijd dankbaar voor het aanbod. Vooral omdat we allebei een positie kregen – dat is zeldzaam.” „Onze werkkamers liggen naast elkaar”, voegt Linde toe.

Chaotische inflatie

Het idee van inflatie had toen al een hele evolutie doorgemaakt. Nadat het in 1982 door onder meer Hawking was „doodverklaard”, had Linde het weer tot leven gewekt met het scenario van ‘chaotische inflatie’. Daarin blazen instabiele punten – telkens andere – zich op tot kosmische ‘ballonnen’. Alsof in een chaotisch proces zonder einde of begin – en onzichtbaar vanaf ons eigen stukje universum – voortdurend heelallen verschijnen en verdwijnen.

Zo raakte inflatie als vanzelf verknoopt met het ‘multiversum’ – het al vaker geopperde idee dat onze kosmos er maar eentje is in een woelige lappendeken van ‘mini-heelallen’ waarin de fundamentele wetten van de natuurkunde telkens anders zijn ingevuld. Een vergelijkbare waaier van heelallen werd daarna rond 2000 ook ‘teruggevonden’ in de snaartheorie. Dat gebeurde toen snaarfysici die in veel meer dimensies werken dan ons universum er telt (drie plus een tijddimensie), er in slaagden om alle overtollige dimensies uit hun theorie weg te werken. Ze vonden zelfs 10500 manieren om die extra dimensie weg te vouwen en op te rollen – corresponderend met 10500 mogelijke configuraties voor het – of een – heelal.

Het riep weerstand op. Deels omdat deze ideeën speculatief zijn: hoe valt het bestaan van een multiversum te bewijzen als we niet verder kunnen kijken dan ons eigen zichtbare heelal? Deels omdat ze van ons heelal een toevalstreffer maken, lukraak precies zo uitgevallen dat het bewoonbaar is en dus door ons te observeren. Voor kosmologen en fysici die zoals Einstein het heelal vanuit diepe principes willen verklaren, is dat de dood in de pot.

Linde zelf ziet die weerstand trouwens eerder als „psychologisch. Omdat wij alleen ons eigen stuk van de kosmos zien, denken wij ten onrechte dat het overal is zoals hier. Zoals een vis denkt dat de wereld uit water bestaat.” Voor hem kreeg het inflatie-idee juist extra steun toen Kallosh in 2003 liet zien, samen met andere snaarfysici en Linde zelf, dat tussen al die mogelijke heelallen uit de snaartheorie inderdaad exemplaren zitten met de karakteristieken van ons eigen heelal (zoals de in 1998 ontdekte versnelde uitdijing).

‘Ik huilde bijna’

Maar de belangrijkste gegevens die met het beeld van inflatie overeenstemmen, zeggen Kallosh en Linde, komen uit de supergedetailleerde metingen van de Plancksatelliet aan die stokoude kosmische achtergrondstraling. Voordat ze in 2013 naar buiten kwamen, gonsde het van de geruchten dat juist details in die straling inflatie om zeep zouden helpen. De vorm (‘non-gaussian’) van kleine fluctuaties in de verder zo gelijkmatige straling zou afwijken van wat inflatiemodellen voorspelden. „Het was ontzettend spannend.”

Linde stond op een vliegveld in Italië toen de meetresultaten vrijkwamen. Kallosh stuurde hem een sms, vertelt hij. „Twee woorden. ‘No non-gaussianity’.” Boven de oceaan nam hij even later de resultaten door. „Ik ben niet emotioneel, maar ik huilde bijna.” De inflatiemodellen stonden nog overeind.

Dat gebrek aan tegenspraak betekent natuurlijk niet dat inflatie al is bewezen - iets wat critici graag benadrukken. En de manier waarop ze dat doen – in blogs en stukken in populair-wetenschappelijke bladen – hindert Linde merkbaar. „Sssjj”, schudt Kallosh haar hoofd. Er zijn belangrijker dingen om het over te hebben.

Zijzelf maakte de laatste jaren naam met het toepassen van ‘attractor-theorie’ – de beschrijving van dynamische systemen die onafhankelijk van begintoestand of verstoringen steevast naar dezelfde evenwichtstoestand terugkeren, zoals een gezond hart dat steeds weer in hetzelfde stabiele ritme terugvalt. Ze paste die theorie toe op zware gaten, én ontwikkelde er die nieuwe klasse van inflatiemodellen mee die zo mooi met Escher kunnen worden geïllustreerd.

Tussen haar uitleg door zoekt ze vluchten: binnenkort vliegen ze naar Engeland voor de 75e verjaardag van Hawking. Linde zal er een lezing geven over – uiteraard – inflatie. Kallosh had pas een mooi idee over superzwaartekracht – een voor haar toepasselijk onderwerp om Hawking mee te eren – dat ze na het weekend met een collega in Potsdam wil uitwerken. Nog zoveel te doen!