In een multiversum is een heelal zoals het onze niet meer dan logisch

Ons universum neemt slechts één vallei in temidden van een schier oneindig landschap van mogelijke universa, lijkt de snaartheorie te voorspellen. Dat heeft een deel van de fysici en kosmologen ertoe aangezet het lang verfoeide antropisch principe als verklaring van ons heelal in te zetten.

1 augustus 2006

Het heelal heeft naar schatting 10¹¹ melkwegstelsels, elk met zo’n 10¹¹ planeten. Dat levert 10²² mogelijkheden dat ergens op een planeet zulke gunstige condities heersen dat er leven kan ontstaan. Geen wonder dat er in ieder geval één zo’n planeet is: de aarde. Maar waren de natuurconstanten in ons heelal ook maar een zuchtje anders geweest, dan zouden er geen sterren en planeten zijn ontstaan, om nog maar te zwijgen van rondkruipend leven. Dan was de mens er niet geweest om zich af te vragen waarom het heelal in elkaar zit zoals het in elkaar zit.

Blijft de vraag waarom die natuurconstanten dan zo precies zijn afgestemd dat er wel sterren en planeten zijn, en wel leven? Schitterend ongeluk? Intelligent design? Antropisch principe?

Het vroege universum was niet helemaal homogeen. De dichtheid en de druk varieerden enkele duizendsten van een procent. Die kleine variaties waren echter essentieel om melkwegstelsels te laten ontstaan. Bij een iets grotere of kleinere kosmologische constante was dat onmogelijk geweest.
Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Volgens het antropisch principe heeft ons universum de eigenschappen die het heeft, omdat wij er zijn. Wij bestaan, en dan kan het niet anders dat het heelal er uit ziet zoals wij het zien, want in een heelal met iets andere eigenschappen dan het onze, hadden we nooit kunnen bestaan. Dat klinkt bizar, onwetenschappelijk, tautologisch. Niet voor niets vervloeken veel natuurkundigen dit principe. De laatste vijf jaar zijn er echter meer en meer serieuze fysici en kosmologen die het al lang bestaande principe weer afstoffen en openlijk als argument inzetten. Volgens hen is het antropisch principe een slogan voor een veel rijkere verzameling van ideeën over ons heelal.

“Bij de laatste grote conferentie over snaartheorie in Toronto in 2005 werd er een stemming gehouden onder alle aanwezige wetenschappers”, vertelt snaartheoreet Jan de Boer van de Universiteit van Amsterdam. “Ongeveer een kwart was voor het antropisch principe. Ongeveer driekwart was tegen.” Nog steeds meer tegenstanders dan voorstanders, maar de laatste jaren is de verhouding overduidelijk verschoven richting voorstanders. De reden ligt grotendeels in een ontwikkeling van de snaartheorie, de bekendste en verst gevorderde poging om Einsteins theorie van de zwaartekracht (de algemene relativiteitstheorie) met de theorie van de kwantummechanica te verenigen. Ofwel: een unificatie van de wereld van het hele grote met de wereld van het hele kleine.

Googolversum

Het is nog geen zekerheid, maar alles lijkt er op dat snaartheorie laat zien dat het aantal mogelijke universa waanzinnig groot is. Dat is het indirecte gevolg van de duizelingwekkende hoeveelheid manieren waarop de extra zes of zeven dimensies die de snaartheorie aanneemt (bovenop de vier die we waarnemen) zich kunnen oprollen. Men heeft het over naar ruwe schatting 10¹⁰⁰ tot 10⁵⁰⁰ mogelijke universa die samen een landschap van mogelijke universa vormen. Ons eigen universum neemt slechts één vallei in temidden van dit schier oneindige berglandschap van mogelijke universa. Alle universa die gerealiseerd zijn, vormen samen een multiversum. Sommigen spreken over een megaversum of een googolversum ( _googol_=10¹⁰⁰).

“Veel snaartheoreten zijn ongelukkig met het multiversum”, zegt de Amerikaanse theoretisch natuurkundige en een van de bedenkers (1969) van snaartheorie, Leonard Susskind (Stanford University, Californië, VS). “Want uiteraard hoopten ze dat ze precies één universum zouden vinden, en wel het onze. Maar als het zo moet zijn, dan moet het maar.”

Elk van die universa heeft zijn eigen stabiele verzameling van natuurwetten: een dal in het berglandschap. Het multiversum is de fysische verwerkelijking binnen het uitgestrekte landschap van wiskundig mogelijke universa. Elk universum evolueert langs zijn eigen pad in dit landschap. Volgens de wetten van de kwantummechanica kan een universum in principe – maar meestal duurt dat onvoorstelbaar lang – naar een andere realisatie van een universum tunnelen: van het ene dal, midden door een berg, naar een ander dal in het landschap.

“Als er inderdaad zo enorm veel realiseerbare heelallen zijn”, zegt Susskind, “dan is dat een reden om het antropisch principe van stal te halen. Het betekent eigenlijk dat als het aantal universa zó talrijk is, er altijd wel ergens een universum is dat de eigenschappen van ons heelal heeft. In dat heelal is leven mogelijk zoals wij dat kennen. Het antropisch principe is geen mysterieus idee. Het betekent gewoon dat de wereld zo enorm en zo divers is. Het brengt een statistisch verschijnsel onder woorden. De wet van de grote getallen. Totaal geen plaats voor intelligent design.”

Een Calabi-Yau-ruimte is een artist impression van één manier waarop zes of zeven dimensies volgens de snaartheorie op kunnen rollen tot de ons bekende vier dimensies. Dat leidt uiteindelijk tot de mogelijkheid van een multiversum.

De ideale kosmologische constante

“De nieuwe discussie over het antropisch principe begon met het meten van de kosmologische constante”, vertelt Susskind. De kosmologische constante staat voor een soort van afstotende kracht in het universum ( donkere energie), waarvan nog niemand het fijne afweet. Iedereen dacht de afgelopen decennia dat die nul zou zijn. Sinds 1998 weten we echter dat hij weliswaar heel erg klein is, maar niet nul. Susskind: “Het was Steven Weinberg die het antropisch principe weer van stal haalde. Maar ik weet zeker dat hij juist wilde aantonen dat we het antropisch principe niet zouden kunnen gebruiken. Hij vroeg zich af of er met een iets andere waarde van de kosmologische constante nog steeds leven in het universum zou bestaan.”

Weinberg (Nobelprijs natuurkunde 1979) sloeg aan het rekenen en hij vond dat als de constante een factor honderd groter of kleiner zou zijn dan de toen bekende hele kleine waarde (10^-120 in Planckeenheden), de vorming van sterrenstelsels en planeten onmogelijk zou zijn. “Daar was hij niet blij mee”, zegt Susskind. “En hij zei: ‘Ik kan het antropisch principe niet langer terzijde schuiven als een verklaring van de kleine kosmologische constante.’”

In eerste instantie klinkt het antropisch principe inderdaad belachelijk, beaamt Susskind. “ Het universum is zoals het is, omdat wij er zijn”. Dat is toch geen wetenschap! Maar stel je nu wetenschappers voor die op een geheel bewolkte aarde wonen en die niets over de rest van het heelal weten. Zij zullen zich afvragen waarom de gemiddelde temperatuur op aarde ergens tussen het vriespunt en het kookpunt van water ligt. Dat is maar een klein deel van het hele temperatuurspectrum. Welnu, vragen ze zich af, misschien is het zo dat als de temperatuur niet binnen die grenzen zou liggen, zij er niet zouden zijn. Ze zouden ofwel bevriezen, ofwel verbranden. Ze redeneren antropisch. Wij weten echter dat het grootste deel van ons universum een temperatuur heeft die niet tussen het vriespunt en het kookpunt van water ligt. Temperatuur is voor ons geen natuurconstante, maar iets dat afhangt van waar we ons in het universum bevinden. Temperatuur is een omgevingsgrootheid. In het multiversumidee geldt hetzelfde voor de kosmologische constante.

“Er zijn eigenlijk twee dingen nodig om het antropisch principe zinvol toe te passen. Welke theorie ook het universum verklaart, zij moet voldoende oplossingen geven, met voldoende variërende waarden van natuurconstanten, zodat er temidden van al die mogelijke oplossingen een hele kleine deelverzameling is die de ontwikkeling van leven toelaat. Daar zijn dus gigantisch veel verschillende oplossingen voor nodig. En wel zoveel dat de grote onwaarschijnlijkheid van het ontstaan van leven, overweldigd wordt door het aantal mogelijkheden. Je hebt dus veel oplossingen nodig en veel plaatsen om die diversiteit aan oplossingen te realiseren. En dat is precies wat snaartheorie lijkt op te leveren.”

Een multiversum waarin nieuwe universa zich in hun eigen Oerknal afsplitsen van een eerder universum. Veranderende kleuren van moeder op dochter geven aan dat de natuurwetten in het nieuwe heelal en het oude verschillen. Universa met natuurwetten die afsplitsing bevorderen en die ‘genen’ doorgeven aan hun kinderen zullen dit multiversum domineren. Bron: Andrei Linde, Scientific American.

Hollandse nuchterheid

“Snaartheorie lijkt een heleboel oplossingen te geven. Maar we weten niet hoeveel, en we weten niet hoe we ze op een rij kunnen zetten”, is de tegenwerping van Gerard ‘t Hooft (Universiteit Utrecht), Nobelprijswinnaar natuurkunde in 1999. “Een getal als 10⁵⁰⁰ is volstrekt uit de lucht gegrepen. Er is geen goed argument voor. Ze bedoelen gewoon een heel groot getal. En een van die oplossingen zou dan onze wereld moeten zijn, maar we weten niet welke. Eigenlijk is het een metafysische vraag of er een multiversum is of niet. Het doet er niet toe. Het is niet ons heelal. Je kunt je een multiversum voorstellen, maar meer kun je er niet van zeggen. Maar ik geloof eigenlijk helemaal niet dat die oplossingen van de snaartheorie eenduidig zijn. Men heeft eigenlijk alleen maar limieten van een oplossingen en niet de oplossing zelf. Ik denk dat we veel verder afzitten van de goede antwoorden dan wordt beweerd, maar dat is helemaal niet erg. Het is ook niet erg om te speculeren, maar er wordt af en toe te agressief beweerd dat dit de oplossing is. In ieder geval zou ik het heel erg vinden als ze gelijk hebben met hun antropisch principe.”

De Universiteit van Amsterdam (UvA) heeft een internationale topgroep van snaartheoreten. Ook daar wint Hollandse nuchterheid het van Californische bravoure van Susskind en de zijnen. Jan de Boer: “Inderdaad is het zo dat alles erop wijst dat snaartheorie veel oplossingen toelaat. Dat aantal kan groot zijn, maar hoe groot, weet niemand. Susskind baseert zich op wetenschappers als Joseph Polchinski en Raphael Bousso, die naar één voorbeeld hebben gekeken en daar een afschatting voor hebben gemaakt. Mijn grootste bezwaar is dat ik de benaderingen niet vertrouw die nodig zijn om oplossingen met een kleine kosmologische constante te produceren. Volgens mij maken ze incorrecte benaderingen. In ieder geval vind ik het veel te voorbarig om het bestaan van een multiversum te veronderstellen en het antropisch principe vervolgens te gebruiken om uit te leggen waarom wij in een heelal leven met een kleine kosmologische constante.

“Als er al een landschap van oplossingen van snaartheorie bestaat, dan zijn er nog heel veel fundamentele zaken die we niet begrijpen. Hoe moeten we de evolutie van een heelal in zo’n landschap beschrijven? Daar weten we nog lang niet genoeg van. En wat betekent kwantumzwaartekracht in deze context? Ook dat weten we nog helemaal niet. Susskind en anderen hebben het over mogelijke oplossingen in een klein hoekje van snaartheorie. We weten nog helemaal niet hoe het landschap van snaartheorieoplossingen eruit gaat zien. Eerst zouden we moeten laten zien dat die oplossingen bestaan, daarna moeten we nadenken over kwantumzwaartekracht. Het is veel belangrijker om dat te begrijpen dan om een enorme sprong over alle technische problemen heen te maken en het moeilijke werk maar aan anderen over te laten.”

Eén type multiversum bestaat uit een lappendeken van gebieden met elk hun eigen natuurwetten, gesymboliseerd door de verschillende kleuren. Pieken geven instabiele regio’s aan waar de natuurwetten nog niet stabiel zijn. In de dalen zijn de natuurconstantes uitgekristalliseerd en kan een universum als het onze bestaan. Bron: Andrei Linde.

Wetenschap moet voor filosofie uitlopen

Wat heeft het voor zin om het bestaan van een multiversum te suggereren als we onze collega-universa toch nooit kunnen leren kennen? Susskind: “Natuurlijk is het verontrustend dat het idee zo moeilijk experimenteel te toetsen is.” Maar aan de andere kant irriteren die opmerkingen hem. “Niet falsifieerbaar…niet falsifieerbaar…Dat maakt me soms boos. Al sinds ik als fysicus begon, hoor ik dat bepaalde dingen niet falsifieerbaar zijn. Quarks zouden niet falsifieerbaar zijn. We zouden ze nooit kunnen detecteren, werd er ooit gezegd. Maar we bleken ze wel te kunnen detecteren.

“Wetenschap moet voor de filosofie uitlopen. Filosofie moet zich maar naar de wetenschap buigen. We hebben in de loop van de wetenschapsgeschiedenis wel vaker de regels moeten aanpassen voor wat we bedoelen met falsifieerbaarheid. We bedoelen niet langer dat we elementaire deeltjes met het blote oog kunnen zien. We moeten meer theorie gebruiken dan we misschien wel zouden willen. Hetzelfde zie ik ook gebeuren als het gaat om het falsifiëren van het multiversum. Als er geen grote verzameling universa bestaat, dan is de theorie gefalsifieerd. En als het wel bestaat, maar er is geen enkel universum dat lijkt op het onze, dan is de theorie ook van de baan. Het is dus wel falsifieerbaar. We hadden ook tegen Darwin kunnen zeggen: ‘wel mooi die theorie van jou, maar je kunt toch helemaal niet terug gaan in de tijd?’ Maar dat hoeft ook niet, omdat we de theorie op andere manieren kunnen toetsen, en zelfs op veel meer manieren dan Darwin ooit heeft gedacht. Darwin had enkele ruwe observaties over de wereld. Die hebben wij ook over het universum. En niemand weet welke slimme methoden toekomstige wetenschappers bedenken om een theorie van een multiversum te toetsen. Het heeft ook een eeuw geduurd eer Darwins theorie ook toetsbaar bleek in het laboratorium.”

Drijvend op onwetendheid

David Gross, die in 2004 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving voor het verklaren van quarkopsluiting, moet niks hebben van antropisch denken: “Het is een te gemakkelijke uitweg uit moeilijke problemen. In de afgelopen honderd jaar is het antropisch principe telkens weer van stal gehaald wanneer de problemen in de natuurkunde onoplosbaar leken.”

De problemen met elke vorm van antropisch redeneren zijn legio, legt Gross uit. “Antropisch redeneren is nooit kwantitatief, nooit verbeterbaar en nooit falsifieerbaar. Het is altijd redeneren achteraf: ‘Is het geen wonder dat wij bestaan?’ Het stelt de mens ook te veel centraal. Het is gewoon geen wetenschap in de normale zin. Er komen geen voorspellingen uit, terwijl we in de natuurkunde nu juist gewend zijn om met grote precisie voorspellingen te doen. Het antropisch principe is het enige geval van een principe dat ik in de natuurkunde ken dat zwakker wordt hoe meer we weten, en sterker wordt hoe minder we weten. Een waardevol principe, zoals het principe van symmetrie, wordt juist sterker hoe meer we over de natuur te weten zijn gekomen. Het antropisch principe drijft op onwetendheid. Die eigenschap deelt het met religie.”

Gross refereert aan de ontwikkelingen in de atoomfysica in de vorige eeuw. “Hoe meer we over atomen te weten kwamen, hoe meer eigenschappen van atomen we uit de theorie konden voorspellen. Al die eigenschappen verklaren we dan niet langer met het antropisch principe, maar met kwantummechanica. In wetenschapsgebieden waar we het minst weten, duiken echter voortdurend antropische redeneringen op. Het stoort me dat antropisch redeneren het wetenschappelijke denken binnensluipt. Maar ik denk dat het uiteindelijk net zo zal gaan als in de atoomfysica. Hoe meer we te weten komen over het universum, hoe minder reden er is om het antropisch principe als verklaring aan te voeren. En uiteindelijk zal het geheel uit onze discussies verdwijnen.”

“Toepassing van het antropisch principe kan een discussie doodslaan”, vindt Erik Verlinde, net als De Boer een snaartheoreet van de UvA. “Het is niet vruchtbaar. Het levert geen inspiratie op om vooruit te komen in de wetenschap. Het weerhoudt ons van het berekenen van dingen. Als ze in het Stenen Tijdperk aan dat principe hadden vastgehouden, dan zouden we nu nog in het Stenen Tijdperk leven. Ik vind het antropisch principe de naam principe ook niet een waard. Het is een idee, maar geen principe. Ik zou het buiten de wetenschap willen houden.”

Fred Hoyle’s antropische redenering

In de jaren vijftig bestond er nog steeds grote onduidelijkheid over de vorming van elementen in sterren zoals de zon. Met de toen bestaande kennis leek er geen mogelijkheid dat zich elementen zwaarder dan helium (met massagetal vier) vormden. De ‘normale’ route voor de vorming van zwaardere elementen leek dat het aantal protonen met één toenam. Helaas. Een atoomkern met massagetal vijf is niet stabiel, en zo was het een raadsel hoe er ooit zwaardere elementen dan helium konden ontstaan. Maar stel, zo redeneerde men, dat twee heliumkernen zouden botsen en bij elkaar een kern met massagetal acht zouden vormen, beryllium. Beryllium zou dan samen met een nieuwe heliumkern een kern met massagetal twaalf kunnen maken. Dat is het meest voorkomende koolstofisotoop, de basis van de organische chemie, de basis van al het leven op aarde. Beryllium is echter erg instabiel. Zo instabiel dat het onmogelijk met een nieuwe heliumkern zou kunnen versmelten.

We weten dat koolstof is ontstaan, anders zou er geen leven zijn, redeneerde astronoom Fred Hoyle, dus er moet een uitweg zijn. Hij ontdekte dat de waarschijnlijkheid voor een berylliumkern om een heliumkern in te vangen veel groter was als het om een koolstofkern in een aangeslagen toestand zou gaan, die precies de juiste energie zou hebben. Alleen was een kern met precies deze eigenschappen nog nooit aangetoond. Niet lang na Hoyle’s voorspelling werd er echter wel degelijk zo’n aangeslagen toestand gevonden. Die koolstoftoestand is zeer gevoelig voor een denkbeeldige verandering van een aantal natuurconstanten. Varieer de constanten een beetje in gedachten, en er zou geen koolstof en dus ook geen leven zoals wij dat kennen, kunnen ontstaan.

Is het in de 21e eeuw afstoffen van het antropisch principe misschien een publicitair handige afleidingsmanoeuvre van Susskind en de zijnen? “Nee, dat is het niet”, vindt Gross ondanks al zijn kritiek. “Het is meer een reactie uit frustratie dat we op dit moment niet in staat zijn om de problemen waar snaartheorie ons voor stelt op te lossen.”

Ook Verlinde vindt het meer een teken van wanhoop van degenen die het tevoorschijn halen dan dat het werkelijk nodig is voor een wetenschappelijke verklaring. “Susskind brengt zijn ideeën wel vaker krachtig naar buiten, en soms iets te krachtig”, zegt Verlinde. “Eigenlijk is zijn toepassing van het antropisch principe in strijd met een van zijn eerdere ideeën: het holografisch principe. Volgens dat idee hoeven we zelfs in principe niet te praten over dingen die we niet kunnen meten. Dan kunnen we niet eens praten over een multiversum, want die andere universa kunnen we toch niet meten. Dat is ook mijn eigen standpunt: het heeft niet eens zin om te praten over andere universa in een multiversum, als we er toch nooit informatie over kunnen krijgen.”

De Krabnevel is het resultaat van een supernova-explosie die in 1054 werd waargenomen. Hij meet ongeveer tien lichtjaren. Bij supernova-explosies ontstaan relatief zware chemische elementen. In een heelal met andere natuurconstantes dan het onze worden sterren misschien nooit zo groot dat ze een supernova vormen, of zijn alle zware elementen instabiel. Zelfs minieme variaties maken leven zoals wij dat kennen onmogelijk. Bron: Walter Nowotny (U. Wien, Nordic Optical Telescope).

Champagne-universum

“Zelf heb ik ook jarenlang de natuurkundigen vervloekt die het antropisch principe als een verklaring voor alles aanhaalden”, beaamt Susskind. “Kosmologen, daarentegen, stonden er altijd meer voor open. Maar de huidige ontwikkelingen in snaartheorie en kosmologie hebben me op andere gedachten gebracht.”

Susskind wijst erop dat het idee van een multiversum niet alleen uit snaartheorie komt. Eigenlijk bestond een vergelijkbaar idee al veel eerder bij kosmologen. Volgens kosmologen als Alan Guth (de geestelijke vader van de huidige inflatietheorie van het heelal), Andrei Linde en Alexander Vilenkin bestaat er een gigantisch aantal pocket universa van een enorme verscheidenheid. Een soort van champagne-universum waarin elke bubbel uitdijt zoals bij het ontkurken van een champagnefles.

“Kosmologen zijn altijd gewend geweest aan het stellen van grote, filosofische vragen”, zo verklaart Gross de aantrekkingskracht van het antropisch principe op kosmologen. “Fysici kunnen experimenten doen in een lab. Kosmologen kunnen het heelal niet manipuleren zoals een fysicus een experiment manipuleert. Dat betekent dat ze veel meer tot speculeren zijn gedwongen. De standaard voor wat doorgaat als een wetenschappelijke uitspraak en wat niet, heeft in de kosmologie altijd lager gelegen. Pas de laatste vijftien jaar begint de kosmologie een meer kwantitatieve wetenschap te worden.”

Zowel Linde en Vilenkin, twee bekende, in de VS levende Russische kosmologen, als Martin Rees, de Britse Royal Astronomer, staan welwillend tegenover het antropisch principe. In zijn in december 2005 gepubliceerde boek The cosmic landscape citeert Susskind Linde: “Zij die een hekel hebben aan het antropisch principe, proberen het te ontkennen. Dit principe is geen universeel wapen, maar een handig instrument dat ons in staat stelt ons te concentreren op de fundamentele fysische problemen door ze te onderscheiden van zuivere omgevingsproblemen, die het gevolg zijn van een antropische oplossing. Je kunt het antropisch principe haten of het omarmen, maar ik wed dat uiteindelijk iedereen het gaat gebruiken.”

“Susskind is sterk beïnvloed door kosmologen als Linde en Guth, die al veel langer speculeren over het bestaan van een multiversum”, zegt Verlinde. “Snaartheorie maakt meer en meer contact met de kosmologie, en daarom ontstaat deze discussie op dit moment.”

Van een crisissituatie in de fundamentele theoretische fysica, waarin de experimentele leidraad steeds dunner wordt, en het speculeren sterker, wil Susskind niet horen. Integendeel. “Als jong fysicus in de jaren zestig was ik vaak teleurgesteld dat ik geen grote conceptuele revolutie in de natuurkunde meemaakte. Het standaardmodel van de jaren zeventig is prachtig, maar het blijft een uitvloeisel van de theorie van de kwantumelektrodynamica van de jaren zestig. Een uitbreiding van dingen die we al hadden. Nu heb ik dat gevoel van teleurstelling niet meer. De combinatie van snaartheorie, de fysica van zwarte gaten en vragen over het antropisch principe en het multiversum, verandert onze manier van denken. Ik vind die vragen veel opwindender dan de vragen over de elementaire deeltjes.

“Deeltjes zijn saai. Ze hebben een paar eigenschappen, en dat is het dan. Veel deeltjesfysici beschouwen kosmologie als een manier om meer over elementaire deeltjes te weten te komen. Voor mij is het andersom. Ik denk dat de echt interessante vragen meer en meer uit de kosmologie komen. Elementaire deeltjes worden dan een soort instrumenten voor de kosmologie.”

Verder lezen

Leonard Susskind. The cosmic landscape – String theory and the illusion of intelligent design. Little, Brown and Company, 2005, ISBN 0316155799. (In dit, in december 2005, gepubliceerde boek, legt Susskind zijn ideeën uit.)
John D. Barrow, Frank J. Tipler. The anthropic cosmological principle. Oxford University Press, 1986, ISBN 0192821474. (Een academisch geschreven historie van antropische redeneringen in kosmologie en fysica.)