DE OORSPRONG VAN HET UNIVERSUM

 Proloog

Op school leer je dat het universum met een knal uit een punt is voortgekomen. Dit gebeuren wordt de oerknal genoemd. Wat je niet leert is waar dat punt vandaan kwam en hoe het hele universum eruit kon verschijnen. Wat je te horen krijgt is dat tijdens de oerknal de hitte onvoorstelbaar heet was en dat er per direct een ruimte dimensie ontstond, waarin fundamentele natuurkrachten en constanten voor een onvoorstelbare orde zorgden. Inderdaad klinkt het allemaal onvoorstelbaar en raadselachtig. Vooral ook omdat alles spontaan uit niets verschenen zou zijn. Spontaan uit niets! En wat het allemaal nog vreemder en raadselachtig maakt is dat de onvoorstelbare hitte, onder leiding van plotseling aanwezige natuurkrachten, evolueerde in een homogene ruimtedimensie, waarin deeltjes samenvoegde tot sterren en er zodoende licht en leven kon ontstaan. Wauw. Maar wat pas echt onvoorstelbaar is, is dat dit verhaal wordt opgelepeld alsof het een in beton gegoten werkelijkheid betreft, harde wetenschap. Het kwam mij in mijn jeugd over als een soort fantastisch scheppingsverhaal. Een nieuw geloof. Waarschijnlijk was het voor het eerst dat ik besefte dat wat je op school leert niet altijd waar hoeft te zijn.

In de roerige jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw werden religieuze dogma’s in een versneld tempo afgebroken. Het was ook de tijd van een constante nucleaire oorlogsdreiging, maar ook van flowerpower en een sterke roep om een rechtvaardige verdeling van het kapitaal voor iedereen. In dat klimaat koos ik voor mijn universitaire opleiding richting sociale wetenschappen. Na mijn studie werd ik docent, vader, scheidde ik, en was ik vol twijfel over mijn bestaan en wat ik wilde. Op een middag zat ik in mijn stamcafé met een door mij zeer gerespecteerde vriend te praten, een uitmuntend wetenschapper, die zijn toehoorders met zijn eruditie altijd verstelt liet staan. Wij hadden het over de oerknal. Ik kwam met mijn bezwaren over de aanname dat de oerknalsingulariteit uit niets verschenen en spontaan tot expressie gekomen was. Ik kan mij de discussie niet meer in detail herinneren, maar mijn vriend lachte mijn bezwaren weg. Hij kwam met een uitgebreide verhandeling over hoe wij mensen ons, door onze materiële beperktheid, aan het causaliteitsprincipe vastpinnen. Voor ons realiteitsbesef, zo betoogde hij, moet er voor alle gebeurtenissen altijd een oorzaak zijn. Hij kwam toen met een opmerking die mij altijd is bijgebleven. Hij zei, ‘ik kan begrijpen dat het onduldbaar voor je is dat er voor de oerknal helemaal niets bestond, maar als je over je eigen gedetermineerde beperktheid heen stapt kan je begrijpen dat het universum zonder oorzaak spontaan uit niets ontstaan is’. Feitelijk had hij niets nieuws beweerd, maar het door hem gebruikte woord onduldbaar is mij door de jaren heen bijgebleven.

In de jaren die volgde had ik het doceren opgegeven om tijd vrij te maken voor een milieuorganisatie die ik had opgericht. De stichting riep op voor natuurrechten; het recht op leefbare lucht, water en grond. Wij streefde ernaar om dit recht geïmplementeerd te krijgen in het mensenrechten Charter van de Verenigde Naties. In die tijd hield ik mij intensief bezig met de biologie van de planeet, wat mij automatisch deed nadenken over de plaats die de aarde inneemt in het universum. Ik begon mij te verdiepen in de kosmologie en las er alles over wat voor handen was. De nieuwste kosmologische theorieën en inzichten, over kwantumzwaartekracht, zwarte gaten, donkere energie en donkere materie, over snaren en branen en wat al niet meer.

 

Na mijn afscheid van de Natuurrechten Stichting verhuisde mijn vrouw en ik naar een vervallen boerderij in Zuid-Frankrijk. Naast het opknappen van de boerderij en de aanleg van een moestuin genoten wij iedere avond van het tjirpen van de krekels, het geroep van de uilen uit het omringende bos en van een overweldigende sterrenhemel. In die omgeving begon ik serieus na te denken over een plan dat ik al lang koesterde. Ik wilde mij in de diepte van  het universum wagen, er een boek over schrijven.

Met de Natuurrechten Stichting had ik nog in het analoge tijdperk verkeert, maar in ons Franse domein, ver weg van de drukte van de wereld, had ik via het internet toegang tot de hele wereld. Ik kon boeken bestellen, artikelen die waar dan ook in de wereld gepubliceerd waren opvragen en de internetsite Wikipedia werd de snelle vraagbaak voor allerhande basisinformatie.

Ik maakte, zoals ik tijdens mijn eerdere studies gewend was geweest, veel aantekeningen die ik dan ordende volgens bepaalde indelingscriteria. Wat mij tijdens het studeren vaak opviel was dat auteurs er automatisch van uitgaan dat hun lezers over specifieke voorinformatie beschikken, die gewoonweg niet aanwezig kan zijn. Voorbeelden daarvan zijn er in overvloed. Zelfs natuurkundigen zullen moeite hebben om te beschrijven wat quarks precies zijn en hoe het kan dat die subatomaire deeltjes steeds per drie stuks protonen vormen, ofwel de basisbouwstenen van alle materie in het universum. Ik beschouw dat automatisme als een didactische klungeligheid, waarschijnlijk voortkomend uit een beroepsdeformatie. Maar wat ik echt ergerlijk vond is dat er vaak stereotypisch geformuleerd wordt, ofwel dat informatie zonder kritische aantekeningen als feitelijk wordt gepresenteerd. Voortkomend uit die ergernis, maar bovenal uit echte nieuwsgierigheid naar de existentiële bron van het universum, begon ik te fantaseren hoe ik een boek kon schrijven zonder in de bovengenoemde tekortkomingen te vervallen.

 

 

 

Toegegeven, alleen al het nadenken daarover bracht mij al tot meer bescheidenheid, want het bleek een bijzonder moeilijke opgave te zijn.

De centrale vraag was natuurlijk wie mijn eventuele lezerspubliek zou zijn. Ik wilde het overzichtelijk houden, een leesboek, een leerboek, een naslagwerk, iets wat fijn is om in huis te hebben. Het moest begrijpelijk zijn voor iedereen die zich zonder voorkennis in de kosmologie wilde verdiepen, maar tegelijkertijd wel academisch gefundeerd en verwoord zijn. Het mocht geen simpele herhaling worden van alweer een boek over de kosmologie. Nee, het moest een authentieke tocht worden naar de diepste essentie over het ontstaan van het universum. Hoe langer ik er over nadacht des te moeilijker het werd. Maar iedere keer als ik weer een nieuw boek in handen kreeg dacht ik; ‘Nee, nee, nee, ik wil het anders’.

Op dit punt gekomen keer ik even terug naar de anekdote van het gesprek dat ik ooit voerde met mijn vriend, waarin hij het woord ‘onduldbaar’ gebruikte. Eerlijk gezegd had hij mij teleurgesteld. Het had natuurlijk niets met onduldbaar te maken dat er vóór het universum niets bestaan zou hebben, want als dat zo was, dan was dat zo. Maar zo’n woord op te werpen was natuurlijk geen bruikbaar argument. Ik beschouwde zijn opmerking als voortkomend uit hetzelfde geloof dat mij altijd zo had tegengestaan.

Toen ik mijn boek ging schrijven hoefde ik niet meer naar bewijzen voor een prekosmische oorzaak van het universum opzoek te gaan. De kwantummechanica had die al geleverd. En de snaar- en braantheorieën, weliswaar louter wiskundige constructies, waren de grenzen van ruimte en tijd al lang gepasseerd. Het was (en is) alleen nog niet helemaal tot het colloquium doorgedrongen, inclusief die van de natuurkundigen.

Langzamerhand werden de contouren voor het schrijven van het boek duidelijk, vooral door de voorderingen die ik zelf maakte in mijn zoektocht naar de binnenkant van de oerknalsingulariteit en haar oorsprong. Waar het mijn eigen ideeën en intuïties betrof, ontdekte ik, tot mijn grote verbazing, dat ze vaak overeenkwamen met vraagstukken die binnen de theoretische fysica actueel waren. Iedere keer als ik mijn intuïties bevestigd zag was er een moment van blijdschap, omdat ik mijn gekozen spoor bevestigd zag.

Wat vooral veel tijd heeft gekost was hoe ik mijn eigen interpretaties moest formuleren en modelleren. In meer hedendaagse taal, wat waren de algoritmen waarlangs ik mijn bevindingen moest uitwerken. Uiteindelijk viel alles als puzzelstukjes op hun plaats. Als ik een set van regels moest formuleren om tot mijn doel te komen, dan moest ik natuurlijk bij het begin beginnen. Vraag één; Wat is mijn hoofddoel? Mijn hoofddoel was om mijn overtuiging te bewijzen dat het ontstaan van de oerknalsingulariteit een geloof is. En iets platter geformuleerd, dat dat geloof onzin is.

Omdat ik dit niet alleen aan ingewijden wilde bewijzen, maar mijn bevindingen ook voor leken toegankelijk maken, heb ik mijn boek geschreven voor ieder weldenkend mens, ongeacht aanleg voor alfa- of bètavakken. Ik maak geen gebruik van moeilijk jargon en wiskundige formules, maar er is wel echte aandacht voor nodig. Mijn streven is dat, nadat je dit boek gelezen hebt, je over de kosmologie, de speciale- en algemene relativiteitstheorie, over zwarte gaten, zwaartekrachtgolven, Higgsdeeltjes en dergelijke zonder problemen kan meepraten. Spelenderwijs heb je een idee gekregen hoe het universum in elkaar steekt, op welke wijze en waarmee het universum gestoffeerd is, hoe de wereld van de atomaire- en subatomaire deeltjes in elkaar steekt en wat de die verduivelde kwantummechanica in werkelijk betekent. Want al deze onderwerpen vormen de set van regels (de algoritmen) om tot de diepste essentie van onze existentiële werkelijkheid te kunnen doordringen.

 

Algemene mededelingen

Hoe spreek ik de lezer aan. Dit boek is exact en filosofisch. Je leert over natuurkundige en kwantummechanische wetmatigheden, maar ook over de filosofische abstracties die kenmerkend zijn voor de kosmologie op het kwantumniveau. Voor mij draait het vooral om de filosofische abstracties, maar besefte dat daarvoor voldoende natuurkundige en kwantummechanische kennis in huis moet zijn. Voor een deel is dit boek kennis ondersteunend, als het ware de onderbouw om allerlei kosmologische vraagstukken te kunnen begrijpen. Als je dit boek leest ben je soms even een student (voor wie zichzelf niet overschat), dan weer volg je de historische ontwikkelingen die de kwantummechanica en de kosmologie hebben ondergaan, maar bovenal ben je de filosoof die tot de essentie van het eigen bestaan, in relatie tot het universum, probeert binnen te dringen.

U, jij en ik – wij dus – gaan samen op reis, naar de uiterste grenzen van het kenbare en daaraan voorbij, met een blik gericht op de kosmologie van morgen.

iHOOFDSTUK 1:  DE NIETRUIMTE DIMENSIE
Introductie 15
Straling 16
Kosmische orde 19
Een blinde horlogemaker? 20
Meten was weten 21
Oneindig versus eindig universum 22
Tovenarij 22
De nietruimtedimensie 24
Filosofie over de oneindige voortgang 25
Enegenen 27
Ter afsluiting 28


HOOFDSTUK 2: D
E RUIMTEDIMENSIE
Inleiding: Ruimte filosofie 31
Energie = mc² 34
Invariantie (Speciale Relativiteitstheorie) 35
Relatieve posities 37
Ruimte en tijd zijn subjectief 38
Zwaartekrachtwerking en stervorming 40
Alles is in beweging 41
Equivalentie tussen versnellen en aantrekken 42
Kromming van de ruimtetijd 43
De energetische ruimte 44
Het Veld van Einstein van vóór en na de oerknal 44

HOOFDSTUK 3:  DE STRUCTUREN VAN DE RUIMTE
Inleiding 47
De kosmologische constante 49
Uitdijen van het universum 50
Zwarte gaten singulariteit en de oerknalsingulariteit 51
De ontmythologisering van Iets uit Niets 53
Kosmische achtergrondstraling 55
De kosmische inflatietheorie 57
Overzicht: Het inflatiemodel in momenten 58
De nucleosynthese 60
Ruimtestructuren 62
Donkere energie: 74% van het universum 63
Donkere materie: 21% van het universum 64
Achtergrondstraling versus het ruimteweefsel 65
Entropie: orde en wanorde 67
Open–, Vlak– Gesloten universum 69
De omvang van het universum

HOOFDSTUK 4: DE STOFFERING VAN DE RUIMTE
Inleiding 73
De orde in het universum 73
De stoffering van de ruimte 74
Zoektocht naar de onbekende energiebron van de zon 75
De productie van elementen 78
Positie van de Aarde 78
Zwaartekracht in sterrenstelsels 79
De Melkweg 80
Chandrasekharlimiet en het uitsluitingsprincipe van Pauli 82
Neutronensterren 83
Neutrino’s afkomstig van supernova’s 84
Pulsars 85
Quasars 86
Kosmische röntgenstraling 86
Gammaflitsen 87
Zwarte gaten 87
Zwaartekrachtlensen 91
Exoplaneten 93
Buitenaards leven 94
Tasten in het duister 95

 HOOFDSTUK 5: DE KWANTUMRUIMTE
Inleiding 99
Velden 99
Kwantummechanica en de kwantummechanica 100
Deeltjesdualisme 104
Golffunctie van deeltjes 105
De onzekerheidsrelatie van Heisenberg 106
Waarschijnlijkheidsgolven 108
Nulpuntenergie/vacuümenergie 109
De onzekerheidsrelatie vs. virtuele deeltjes 110
De virtuele zee van Dirac 111
Kwantumaspecten 113
Interferenties en golfoverlappingen 114
Kwantumtoestand 114
Over leven en dood 116
Verbondenheid op afstand versus verborgen variabelen 118
Trage en instantane informatieoverdracht 119
Fotonen: licht en warmte 120
Het Veld van Einstein 121
Vorming van deeltjes en objecten 123
Gaat informatie verloren? 125
Zwaartekrachtgolven en de ruimtedimensie 126
Praktijk van de zwaartekrachtgolven 127
Resume: De kwantumruimte 130 

  HOOFDSTUK 6: DE ENERGETISCHE RUIMTE
Inleiding 131
Energie ~ Materie 131
Enkele energie schalen 131
Atomen 133
Het periodieke systeem van de deeltjesfysica 136
Het spingedrag van deeltjes 137
Kwantumgetallen 138
Deeltjesfysica 139
Elektronen en andere leptonen 141
Neutrino’s 142
Symmetrieën 145
Behoudswetten 147
De fundamentele natuurkrachten 148
Symmetrie van de fundamentele krachten 150
Elektrische en magnetische velden 153
Nog meer atoomstraling 153
Protyles en neutronen 155
Grote ontdekkingen in de jaren dertig 155
De eerste symmetriegroep 156
De ‘ontdekking’ van de quarks 157
Zwakke kracht en het bètaverval 159
Voorportaal van het Higgsveld 161
Symmetrieschending en massa 163
Het Higgscondensaat 164
Het kunstmatige ‘creëren’ van Higgsbosonen 166
Het probleem van de Geünificeerde Theorie 168
Hiërarchie probleem 170
Fijnregeling 170
Supersymmetrie 171
Nogmaals: hét Veld van Einstein 172
Preonen 174
‘Naakte’ quarks en ‘naakte’ elektronen 174
Ter afsluiting 175

HOOFDSTUK 7:DIVERSE KOSMOLOGISCHE MODELLEN
Inleiding 177
Hindoeïstische kosmologie 178
Onbekende krachten en dimensies 181
Snaar- en supersnaartheorie 184
Critici over de snaartheorie 186
M-theorie en branen 186
Multiversum 184
Luskwantumkosmologie 191
Donkere energie als kosmologische constante 193
De Sitterruimte 195
Kwintessens 196
Dark fluïd 196
Relatieve vaststellingen 197
Een algemeen begrippenkader 198
De ruimtedimensie op de Planckschaal 199
Ter overpeinzing 200 

HOOFDSTUK 8: HET OERKNALTRANSFORMATIEMODEL
Inleiding 201
Schepping in zes seconden 202
Universum, niet één zonder tweede 204
Cyclische voortgang 205
Abstractie van de nietruimtedimensie 207
Vijf transformatiemomenten 208
Transformatie van de elementaire basisdeeltjes in elementaire deeltjes 212
Onwerkelijke werkelijkheid 214
Ontstaan elementaire deeltjes 214
Programmering en vervoer van informatie 216
De ruimtekwanta dimensie 217
Het Veld van de ruimtedimensie 219
Behoud van fotonen 219
Vragen naar het waarom is geen taboe meer 220
Universele werkelijkheid 222
Nawoord 223

 

 

Next: Nature Right