Het is de meest fundamentele vraag van de kosmologie: Hoe is het universum begonnen?
De vraag veronderstelt dat het universum een feitelijk beginpunt heeft gehad, maar men kan net zo goed aannemen dat het universum er altijd al was en er altijd zal zijn. In dat geval zou er helemaal geen begin zijn – alleen een zich steeds verder ontwikkelend verhaal waarvan wij slechts een glimp opvangen.
“We hebben heel goed bewijs dat er een oerknal is geweest, dus het heelal zoals wij dat kennen is vrijwel zeker zo’n 14 miljard jaar geleden begonnen. Maar was dat het absolute begin, of was er iets daarvoor?”, vraagt Alexander Vilenkin, kosmoloog aan de Tufts Universiteit in de buurt van Boston. Het lijkt het soort vraag dat nooit echt kan worden beantwoord, want telkens als iemand een oplossing voorstelt, kan iemand anders de vervelende vraag blijven stellen: Wat gebeurde er daarvoor?
Maar nu zegt Vilenkin dat hij overtuigend bewijs in handen heeft: Het heelal had een duidelijk begin – al kan hij de tijd niet precies aanwijzen. Na 35 jaar achteruitkijken, zegt hij, heeft hij ontdekt dat er vóór ons heelal niets was, helemaal niets, zelfs niet de tijd zelf.
Vilenkin heeft gedurende zijn hele carrière, inclusief de meer dan 20 jaar dat hij het Tufts Institute of Cosmology heeft geleid, een reeks wilde, verblindende ideeën naar voren gebracht, hoewel hij er van buitenaf noch wild noch verblindend uitziet. De 64-jarige professor is zachtmoedig, slank en heeft een bescheiden postuur. Hij kleedt zich netjes, in neutrale, ingetogen tinten die de aandacht niet op hem vestigen.
Ondanks zijn ingetogen manier van doen die aan ingetogenheid grenst, is Vilenkin een creatieve kracht die voortdurend manieren heeft gevonden om door de mist heen te prikken die rond sommige van de dichtsbevolkte denkbare dilemma’s hangt – triomfen die hem het respect van geleerden over de hele wereld hebben opgeleverd. “Alex is een zeer origineel en diepzinnig denker die belangrijke en diepgaande bijdragen heeft geleverd aan onze opvattingen over het ontstaan van het heelal,” zegt Stanford-kosmoloog Andrei Linde.
Toch had deze briljante carrière er nooit van kunnen komen. Vilenkin werd in 1949 geboren in de Sovjet-Unie en groeide op in de Oekraïense stad Kharkiv. Op de middelbare school raakte hij verslingerd aan kosmologie, nadat hij in een boek van Sir Arthur Eddington had gelezen over de oerknal. Die “obsessie” over de oorsprong van het heelal, zegt Vilenkin, “heeft me nooit verlaten. Ik had het gevoel dat als je aan deze vraag kon werken, die misschien wel de meest intrigerende van allemaal is, waarom zou je dan aan iets anders werken?”
Als student aan de Nationale Universiteit van Kharkiv werd Vilenkin naar eigen zeggen aangeraden om “echte natuurkunde” te gaan doen in plaats van zijn eerste liefde, kosmologie, na te jagen. Hoewel hij een uitstekende student was, kon hij niet toegelaten worden tot een graduaatprogramma in fysica omdat, vermoedt hij, de KGB hem op de zwarte lijst plaatste omdat hij weigerde overheidsinformant te worden. In plaats daarvan werd Vilenkin gedwongen een aantal alledaagse baantjes te nemen. Een tijdlang gaf hij les in avondonderwijs voor volwassenen, maar hij verliet die baan omdat hij onder meer verantwoordelijk was voor het naar huis gaan bij afwezigen, van wie velen alcoholist waren, om te proberen hen naar school te slepen – een weinig benijdenswaardige taak.
Hij was anderhalf jaar nachtwaker, waaronder een tijdje in de dierentuin van Kharkiv. Om de dieren te beschermen (die soms werden opgejaagd voor voedsel), kreeg hij een geweer dat hij niet wist te gebruiken en gelukkig nooit hoefde af te vuren. Als hij tijdens die lange nachten tijd had, studeerde Vilenkin natuurkunde, een hobby waarbij hij onder meer het vierdelige verzameld werk van Albert Einstein las. Hij werd ontslagen toen iemand besloot – misschien op basis van zijn keuze van leesmateriaal – dat hij te hoog gekwalificeerd was voor de taak die hem wachtte.
Toen zijn werkvooruitzichten er somber uitzagen, besloot hij naar de Verenigde Staten te emigreren; hij dacht te beginnen met afwassen terwijl hij in de academische wereld probeerde door te breken. Maar om uit de Sovjet-Unie te komen was een ingewikkeld plan nodig: Joden zoals hij mochten naar Israël gaan in kleine aantallen, bepaald door een quotum, maar men moest eerst een uitnodiging krijgen van Israëlische familieleden. Vilenkin had daar geen echte familie, dus nam hij contact op met een vriend die mensen in Israël kende en vond uiteindelijk iemand – een onbekende voor hem – die zo vriendelijk was om namens hem een brief te schrijven.
Nadat de brief was aangekomen, wachtte hij een jaar op een visum, maar dat kwam hem duur te staan. Voordat Vilenkin en zijn vrouw konden vertrekken, moesten hun ouders toestemming geven voor de verhuizing. Omdat ze hun toestemming gaven, verloren de ouders van zijn vrouw hun baan in een laboratorium. Zijn vader, een universiteitsprofessor, verloor later ook zijn baan. De traditionele tussenstop op weg naar Israël was Wenen, maar Vilenkin, zijn vrouw en 1 jaar oude dochter gingen in plaats daarvan naar Rome, waar ze in 1976 aankwamen. Ze spraken met het Amerikaanse consulaat in Rome en na drie maanden wachten kregen ze eindelijk een visum voor de VS
Terug naar de oerknal
In de herfst van 1977 nam Vilenkin een postdoctorale positie in bij Case Western Reserve, waar hij de elektrische eigenschappen van verhitte metalen moest bestuderen. Toch vond hij nog tijd om te theoretiseren over draaiende zwarte gaten en hun mysterieuze magnetische velden. Een jaar later had hij geluk toen Tufts hem een eenjarige gastpositie aanbood. Hij waagde een gok door zich te verdiepen in de kosmologie, een gebied dat toentertijd als marginaal werd beschouwd.
Dat zou snel veranderen. Eind 1979 kwam Alan Guth, een postdoc in de natuurkunde bij Stanford, met een verklaring voor de explosieve kracht achter de oerknal. De intellectuele sprong van Guth kwam voort uit theorieën in de deeltjesfysica, die stelden dat bij extreem hoge energieën – veel hoger dan ooit in een laboratorium kon worden bereikt – een speciale toestand van de materie de zwaartekracht op zijn kop zou zetten, waardoor deze een afstotende in plaats van een aantrekkende kracht zou worden.
Een stukje ruimte met een heel klein beetje van deze ongewone materie zou zichzelf zo heftig kunnen afstoten dat het letterlijk opgeblazen wordt. Guth suggereerde dat zo’n enorme uitbarsting de oerknal veroorzaakte, waardoor het heelal snel zo groot werd dat het minstens 100 keer in omvang verdubbelde. Deze exponentiële groeispurt – kosmische inflatie genoemd – was echter van korte duur, slechts een fractie van een seconde, omdat de afstotende materie snel verviel en de meer bekende vormen van materie en energie achterliet waarmee het heelal tegenwoordig is gevuld.
Het idee loste tegelijkertijd een aantal puzzels in de kosmologie op. Het verklaarde waar de “knal” achter de Big Bang vandaan kwam en hoe de kosmos zo groot werd. Snelle inflatie in alle richtingen verklaarde ook waarom het heelal dat we nu waarnemen zo homogeen is, en waarom de temperatuur van de achtergrondstraling die van die oerknal is overgebleven, in elk stukje van de hemel uniform is, tot op één deel op 100.000. De inflatie blies ook de kosmologie nieuw leven in, en gaf theoretici als Vilenkin genoeg stof tot nadenken – en een beetje meer aanzien.
The Never-End Story
In 1982, een paar jaar na de doorbraak van Guth, had Vilenkin zijn eigen realisatie: Het inflatieproces moet eeuwig zijn, wat betekent dat als het eenmaal begonnen is, het nooit meer helemaal stopt. De inflatie zou abrupt kunnen eindigen in een bepaald gebied van de ruimte, zoals het gebied waarin wij leven, maar zou elders doorgaan, en een eindeloze reeks oerknallen veroorzaken. Elke knal zou overeenkomen met de geboorte van een afzonderlijk “zak”-heelal, dat kan worden voorgesteld als een uitdijende zeepbel – een van de ontelbare zeepbellen die rondzweven binnen het “multiversum”, zoals het soms wordt genoemd.
Vilenkin zag het eeuwige karakter van de inflatie als een gevolg van twee concurrerende eigenschappen van de kosmische brandstof, het zwaartekracht-afstotende materiaal dat het heelal snel deed uitdijen. Aan de ene kant was het materiaal instabiel, net als radioactieve stoffen, en dus gedoemd om te vergaan. Aan de andere kant expandeerde het materiaal veel sneller dan het verviel, dus ook al zou het verval de inflatie in bepaalde gebieden kunnen stoppen, in andere gebieden zou de op hol geslagen groei doorgaan.
Als analogie stelt Vilenkin een klodder bacteriën voor die zich wil blijven voortplanten en groeien, terwijl bacterie-dodende antilichamen proberen die groei in te dammen. Als de bacteriën zich veel sneller reproduceren dan ze worden vernietigd, zullen ze zich snel vermenigvuldigen en verspreiden, ook al wordt hun voortplanting op sommige plaatsen tegengewerkt. Hoe je het ook bekijkt, het netto resultaat is dat de inflatie (of bacteriegroei) nooit overal tegelijk ophoudt en altijd doorgaat in een deel van het multiversum – zelfs terwijl je dit tijdschrift leest.
Om een beter idee van het verschijnsel te krijgen, werkte Vilenkin in 1986 samen met een afgestudeerde Tufts-student, Mukunda Aryal, aan een computersimulatie die liet zien hoe een eeuwig opblazend universum eruit zou kunnen zien. In hun simulatie begonnen de opblazende gebieden, of bellen, klein en groeiden gestaag, terwijl de ruimte tussen de bellen zich ook uitstrekte. Elke bel – die een mini-universum zoals het onze voorstelt – werd omgeven door kleinere bubbels, die op hun beurt weer werden omgeven door nog kleinere bubbeluniversums.
Road to Eternity
In Vilenkins bubbeluniversum was de inflatie per definitie eeuwig tot in de toekomst. Eenmaal begonnen, zou het niet meer stoppen. Maar was het ook eeuwig in het verleden? Was er ooit een tijd dat het universum niet aan het opblazen was? En als het heelal altijd aan het uitdijen was, zou dat dan betekenen dat het heelal zelf eeuwig was en geen begin had?
Om deze vraag te beantwoorden, werkte Vilenkin samen met Guth en de wiskundige Arvind Borde van Long Island University. Met behulp van een wiskundig bewijs stelden zij dat een uitdijend heelal zoals het onze een begin moest hebben. Het gedachte-experiment dat zij stelden ging als volgt: Stel je een universum voor, gevuld met deeltjes. Terwijl het gestaag uitdijt, groeit de afstand tussen de deeltjes. Hieruit volgt dat waarnemers, verspreid over dit uitdijende heelal, van elkaar weg zouden bewegen totdat zij uiteindelijk ver uiteenliggende gebieden in de ruimte zouden innemen. Als u een van die waarnemers was, zou een object zich sneller van u verwijderen naarmate het verder van u verwijderd was.
Nu komt er een ruimtereiziger bij die met een vaste snelheid door de ruimte beweegt: hij zoemt met 100.000 kilometer per seconde langs de aarde. Maar wanneer hij het volgende sterrenstelsel bereikt, dat zich van ons verwijdert met, laten we zeggen, 20.000 kilometer per seconde, zal hij zich voor waarnemers daar slechts 80.000 kilometer per seconde lijken te verplaatsen. Naarmate hij zijn reis voortzet, zal de snelheid van de ruimtereiziger steeds kleiner lijken voor de waarnemers die hij passeert. Nu laten we de film achterstevoren lopen. Deze keer zal de snelheid van de ruimtereiziger bij elk opeenvolgend sterrenstelsel sneller en sneller lijken.
Als we aannemen dat de inflatie eeuwig is in het verleden – dat het geen begin had – zal de ruimtereiziger uiteindelijk de lichtsnelheid bereiken en inhalen. Een berekening van Borde, Guth en Vilenkin toonde aan dat dit in een eindige hoeveelheid tijd zou gebeuren. Maar volgens de wetten van de relativiteit is het voor een massief object onmogelijk om de lichtsnelheid te bereiken, laat staan te overschrijden. “Dit kan niet gebeuren,” zegt Vilenkin. “Dus als je de geschiedenis van deze ruimtereiziger terug in de tijd volgt, ontdek je dat zijn geschiedenis tot een einde moet komen.”
Het feit dat de reis van de ruimtereiziger terug in de tijd op een impasse stuit, betekent dat er een probleem is, vanuit een logisch standpunt, met de aanname van een steeds groter wordend heelal waarop dit hele scenario is gebaseerd. Met andere woorden, het universum kan niet altijd uitgedijd zijn. De uitdijing moet een begin hebben gehad, en de inflatie – een bijzonder explosieve vorm van kosmische uitdijing – moet ook een begin hebben gehad. Volgens deze logica heeft ook ons heelal een begin gehad, aangezien het is voortgekomen uit een inflatieproces dat eeuwig is in de toekomst maar niet in het verleden.
Something From Nothing
Een universum met een begin roept de vervelende vraag op: Hoe is het begonnen? Vilenkins antwoord is nog lang niet bevestigd, en zal dat misschien ook nooit worden, maar het is wel de beste oplossing die hij tot nu toe heeft gehoord: Misschien is ons fantastische, glorieuze heelal spontaan ontstaan uit helemaal niets. Deze ketterse bewering is in strijd met het gezond verstand, dat ons weliswaar in de steek laat wanneer we het hebben over de geboorte van het heelal, een gebeurtenis waarvan gedacht wordt dat die met onpeilbaar hoge energieën plaatsvindt. Zij is ook in strijd met de Romeinse filosoof Lucretius, die meer dan 2000 jaar geleden beweerde dat “niets uit niets kan ontstaan”.
Natuurlijk had Lucretius nog nooit gehoord van de quantummechanica en de inflatoire kosmologie, 20e-eeuwse vakgebieden die zijn boude bewering betwisten. “We zeggen meestal dat niets uit het niets kan ontstaan, omdat we denken dat dat in strijd zou zijn met de wet van behoud van energie, een heilig principe in de natuurkunde dat zegt dat energie noch kan ontstaan noch kan worden vernietigd, legt Vilenkin uit. Hoe kun je dan een universum creëren met materie erin, waar eerst niets was?
“De manier waarop het universum dat probleem omzeilt, is dat de zwaartekrachtsenergie negatief is,” zegt Vilenkin. Dat is een gevolg van het feit, wiskundig bewezen, dat de energie van een gesloten heelal nul is: De energie van materie is positief, de energie van gravitatie is negatief, en ze tellen altijd op tot nul. “Daarom is het creëren van een gesloten universum uit het niets niet in strijd met enige behoudswetten.”
Vilenkins berekeningen laten zien dat een heelal dat uit het niets is ontstaan, waarschijnlijk heel klein zal zijn – veel, veel kleiner dan bijvoorbeeld een proton. Mocht dit minuscule universum slechts een klein beetje materiaal met afstotende zwaartekracht bevatten, dan is dat genoeg om het onstuitbare proces van eeuwige inflatie in gang te zetten, dat leidt tot het universum waar we nu in leven. Als de theorie klopt, hebben we ons bestaan te danken aan de nederigste oorsprong: het niets zelf.
Eén voordeel van dit beeld, als het klopt, is dat de spontane schepping van ons universum een duidelijk beginpunt geeft aan de dingen. De tijd begint op het moment van de schepping, waardoor de potentieel eindeloze vragen over “wat gebeurde er daarvoor?
De verklaring laat echter nog steeds een groot mysterie onopgelost. Hoewel een heelal volgens Vilenkin uit het niets kan ontstaan, in de zin dat er geen ruimte, tijd of materie is, is er wel iets voorafgegaan, namelijk de wetten van de fysica. Deze wetten bepalen het iets-uit-niets scheppingsmoment dat ons universum doet ontstaan, en zij bepalen ook de eeuwige inflatie, die het in de eerste nanoseconde van de tijd overneemt.
Dat roept enkele ongemakkelijke vragen op: Waar zijn de natuurkundige wetten gebleven voordat er een heelal was waarop ze konden worden toegepast? Bestaan ze onafhankelijk van ruimte of tijd? “Het is een groot mysterie waar de wetten van de fysica vandaan komen. We weten niet eens hoe we het moeten benaderen,” geeft Vilenkin toe. “Maar voordat de inflatie kwam, wisten we niet eens hoe we de vragen moesten benaderen die later door de inflatie werden opgelost. Dus wie weet, misschien komen we ook over deze barrière heen.”
In de Clint Eastwood-film Magnum Force zegt Harry Callahan: “Een man moet zijn beperkingen kennen”, maar Vilenkins werk is een testament voor het verleggen van traditionele grenzen. Als we volharden in ons scepticisme en twijfel, zoals Vilenkin vaak geneigd is te doen, kunnen er interessante en onverwachte ideeën ontstaan – net als een heelal dat uit het niets opduikt.
Eliminating the Loopholes
Loophole #1
Om zijn hypothese te staven, heeft Vilenkin andere modeluniversa bestudeerd, waarbij hij mazen in de wet heeft geëlimineerd die het idee van een duidelijk kosmisch debuut tegenspreken. In een paper uit 2012 met Tufts afgestudeerde studente Audrey Mithani, onderzocht Vilenkin het “cyclische” universum dat is onderzocht door natuurkundigen Paul Steinhardt van Princeton University en Neil Turok, nu aan het Perimeter Institute.
In dit model is er geen sprake van een enkele oerknal of een enkel begin. In plaats daarvan doorloopt het heelal voortdurend oscillerende cycli van uitdijing, inkrimping, ineenstorting en nieuwe uitdijing. Het addertje onder het gras is dat het cyclische heelal op gespannen voet staat met de tweede wet van de thermodynamica, die zegt dat de entropie, of wanorde, van een gesloten systeem onvermijdelijk zal toenemen in de tijd.
Zo is bijvoorbeeld een sierlijk bakstenen herenhuis zeer geordend, terwijl een stapel over de grond verspreide bakstenen – het resultaat van de verwoestingen van de natuur en decennia of eeuwen van verwaarlozing – eerder wanordelijk is. En baksteenstof, dat door wind en water wordt verstrooid nadat de bakstenen zelf zijn aangetast, is nog wanordelijker. Een systeem – zelfs een bubbelheelal – zal deze kant opgaan als het op zichzelf wordt overgelaten. We zien niet vaak dat een bakstenen herenhuis zichzelf spontaan weer in elkaar zet uit verspreid stof.
Als ons heelal hier al eeuwig bestaat en een stabiele omvang heeft behouden, dan zou ook het zijn bezweken onder de tweede wet. De wanorde zou onverbiddelijk zijn toegenomen tot het punt dat het heelal nu een gladgestreken, karakterloze waas zou zijn. Maar dat is helemaal niet wat we zien. In plaats daarvan zien we een heelal vol grootse kosmische structuren – sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels, clusters van clusters die superclusters worden genoemd, en clusters van superclusters die filamenten van sterrenstelsels worden genoemd – waarvan sommige filamenten een miljard of meer lichtjaren in omtrek zijn.
Om die reden sluit Vilenkin het beeld van een cyclisch heelal uit, tenzij je de extra aanname maakt dat het heelal na elke cyclus van uitdijing en inkrimping iets groter eindigt dan toen het begon. Deze voorwaarde zou betekenen dat het universum nog steeds uitdijt, wat betekent dat de oorspronkelijke stelling van Borde-Guth-Vilenkin nog steeds van toepassing zou zijn: Een steeds uitdijend heelal moet een enkel begin hebben.
Hiaat #2
Een ander mogelijk hiaat is het “kosmisch ei”-scenario, een model-heelal dat onder meer door de Zuid-Afrikaanse kosmoloog George Ellis is ontwikkeld. Volgens deze zienswijze kan het heelal eeuwig in een stabiele configuratie blijven zitten, met een vaste grootte en straal, totdat het plotseling begint uit te zetten – als een ei dat uitkomt na een uitzonderlijk lange incubatiefase.
Het probleem met deze stelling, volgens Vilenkin en Mithani, is dat het kleine “stabiele” heelal toch niet zo stabiel is. Ergens tijdens de lange wachtfase zou het ineenstorten tot het niets, voordat het ooit de expansieperiode zou bereiken – dat wil zeggen, als we de wetten van de kwantummechanica moeten geloven.
De kwantummechanica, de gangbare tak van de natuurkunde om te beschrijven hoe dingen werken op atomaire schalen, is buitengewoon goed getest, en buitengewoon vreemd. De kwantummechanica stelt dat als er ook maar de kleinste kans is dat iets gebeurt, hoe absurd het ook mag klinken, dat ding zeker zal gebeuren als je maar lang genoeg wacht.
Zoals blijkt, voorspellen kwantummechanische formules een kleine (maar niet nul) kans dat het kosmische ei-heelal tot nul ineenstort, op welk punt het toenmalige heelal volledig zou verdwijnen. Bij een oneindige tijdspanne, die in het kosmische ei-scenario wordt aangehouden, zou een dergelijke ineenstorting onvermijdelijk zijn – ook al is de kans klein dat deze zich op een bepaald moment voordoet – wat impliceert dat het heelal niet eeuwig kan hebben bestaan.
Inderdaad, zegt Vilenkin, van alle ideeën die we tot nu toe hebben bedacht voor een heelal zonder begin, lijkt er geen enkele te werken. “Dus het antwoord op de vraag of het heelal een begin heeft gehad is ja, waarschijnlijk wel.”
Dit artikel is oorspronkelijk in druk verschenen als “Starting Point.”