Sean Carroll: Verre tijd en de aanwijzing van een multiversum

Op TEDxCaltech pakt kosmoloog Sean Carroll - in een onderhoudende en tot nadenken stemmende tocht door de aard van de tijd en het universum - een bedrieglijk eenvoudige vraag aan: "Waarom bestaat er zoiets als tijd?" De mogelijke antwoorden wijzen op een verrassende kijk op de aard van het universum en onze plaats daarin.

Het heelal

is echt groot.

We leven in een sterrenstelsel, de melkweg.

Er zijn ongeveer honderd miljard sterren in de melkweg.

Als je een camera neemt

en je richt die op een willekeurig deel van de hemel

en je laat de sluiter openstaan -

tenminste als je camera aan de Hubble Space Telescope bevestigd is -

dan krijg je iets als dit te zien.

Elk van deze kleine vlekjes

is een melkwegstelsel van ongeveer de grootte van onze melkweg -

honderd miljard sterren in elk van die vlekjes.

Er zijn ongeveer honderd miljard melkwegstelsels

in het waarneembare heelal.

100 miljard is het enige te onthouden getal.

De leeftijd van het heelal tussen nu en de oerknal

is honderd miljard in hondenjaren (ong. 14 miljard).

(Gelach)

Dat vertelt je iets over onze plaats in het universum.

Een foto als deze moet je gewoon bewonderen.

Ze is zeer mooi.

Ik heb me vaak afgevraagd wat de evolutionaire druk is

die onze voorouders in de savannes ertoe bracht om zich aan te passen en te evolueren,

om echt te kunnen genieten van foto's van melkwegstelsels

als ze die nog niet hadden.

Maar wij zouden het ook graag begrijpen.

Als kosmoloog vraag ik me af waarom het universum is zoals het is?

Een grote aanwijzing die we hebben is dat het universum verandert in de tijd.

Als je kijkt naar een van deze sterrenstelsels en je meet de snelheid ervan

dan zou je vinden dat het van je weg beweegt.

Als je kijkt naar een sterrenstelsel dat nog verder weg is

dan beweegt dat nog sneller van je weg.

Daarom zeggen we dat het heelal uitdijt.

Dat houdt natuurlijk in dat in het verleden

alles veel dichter bij elkaar zat.

In het verleden was het universum dichter

en ook warmer.

Als je dingen samenperst, gaat de temperatuur omhoog.

Dat begrijpen we.

Wat we veel minder begrijpen

is dat het universum vroeger, net na de oerknal

ook overal gelijk was.

Je zou kunnen denken dat dat geen verrassing is.

De lucht in deze kamer is ook overal gelijk.

Je zou kunnen zeggen: "Misschien hebben de dingen zichzelf zo gelijk gemaakt."

Maar de omstandigheden net na de oerknal zijn zeer, zeer verschillend

van de toestand van de lucht in deze kamer.

In het bijzonder waren de dingen een stuk dichter.

De zwaartekracht van die dingen

was een stuk sterker net na de oerknal.

Je moet bedenken dat

we een universum hebben met honderd miljard melkwegstelsels

elk met honderd miljard sterren.

Vroeger waren die honderd miljard sterrenstelsels

samengeperst in een zo grote ruimte -

echt waar.

En je moet je voorstellen dat dat samenpersen gebeurde

zonder enige onvolkomenheden

zonder enige plekjes

waar er een paar atomen meer waren dan elders.

Want als dat zo zou zijn geweest dan zouden ze door de zwaartekracht samengeklapt zijn

tot een groot zwart gat.

Het heelal net na de oerknal zo gelijk verdeeld houden

is niet gemakkelijk. Het is een delicaat evenwichtsspel.

Het is een aanwijzing dat het vroege heelal

niet zomaar willekeurig tot stand is gekomen.

Er is iets dat het zo heeft gemaakt.

Wij willen graag weten wat.

Een deel van de verklaring werd ons gegeven door Ludwig Boltzmann,

een Oostenrijks fysicus uit de 19e eeuw.

Boltzmanns bijdrage was dat hij ons hielp 'entropie' te begrijpen.

Je hebt wel al gehoord van entropie.

Het is de willekeur, de wanorde, het chaotische van systemen.

Boltzmann gaf ons een formule -

nu op zijn grafsteen gegraveerd -

die het begrip entropie duidelijk maakt.

Het wil eigenlijk gewoon zeggen dat entropie

het aantal manieren is waarop we de bestanddelen

van een systeem kunnen herschikken, zonder dat je het merkt.

Zodat het er macroscopisch hetzelfde blijft uitzien.

In de lucht in deze kamer

merk je elk individueel atoom niet op.

Een lage entropieconfiguratie

is er een waarin er slechts een paar schikkingen zijn die er zo uitzien.

Een hoge entropieconfiguratie

is er een waarin er vele schikkingen zijn die er zo uitzien.

Dit is een zeer belangrijk inzicht

omdat het ons de tweede wet van de

thermodynamica helpt te verklaren -

de wet die zegt dat de entropie toeneemt in het universum

of in een geïsoleerd stukje van het universum.

De reden waarom de entropie toeneemt,

is simpelweg omdat er veel meer manieren zijn

om een hoge entropie te hebben dan om een lage entropie te hebben.

Dat is een prachtig inzicht

maar het laat iets buiten beschouwing.

Dit inzicht dat de entropie toeneemt, is overigens

wat er achter het idee van 'de pijl van de tijd' zit.

Het verschil tussen verleden en toekomst.

Elk verschil dat er is

tussen het verleden en de toekomst

is er omdat de entropie toeneemt -

het feit dat je je het verleden kan herinneren, maar niet de toekomst.

Het feit dat je geboren bent, leeft en dan doodgaat,

altijd in die volgorde,

is zo omdat de entropie toeneemt.

Boltzmann legde uit dat als je begint met een lage entropie

het heel natuurlijk is dat ze toeneemt

omdat er meer manieren zijn om hoge entropie te hebben.

Wat hij niet uitlegde was de reden waarom

de entropie in de eerste plaats ooit laag was.

Het feit dat de entropie van het universum laag was,

was een weerspiegeling van het feit

dat het vroege heelal heel erg eenvormig was.

We willen dat graag begrijpen.

Dat is onze taak als kosmologen.

Helaas, het is eigenlijk een probleem

waar we niet voldoende aandacht aan geven.

Het is niet een van de eerste dingen die mensen zouden zeggen

als je aan een moderne kosmoloog vroeg:

"Wat zijn de problemen die we proberen aan te pakken?"

Een van de mensen die dit probleem wel inzag,

was Richard Feynman.

50 jaar geleden gaf hij een reeks lezingen.

Hij gaf de populaire lezingen

die later als "The Character of Physical Law" werden uitgegeven.

Hij gaf lezingen aan Caltech ondergegradueerden,

die later "The Feynman Lectures on Physics" werden.

En lezingen voor Caltech gegradueerden

die de "The Feynman Lectures on Gravitation" werden.

In elk van deze boeken en elke reeks lezingen

benadrukte hij dit vraagstuk:

"Waarom had het vroege heelal zo'n kleine entropie?"

Dus hij zegt - ik ben niet van plan om zijn accent na te bootsen -

"Om de een of andere reden had het universum ooit

een zeer lage entropie voor zijn energie-inhoud

en sindsdien is die entropie toegenomen.

De pijl van de tijd kan niet volledig worden begrepen

voordat het mysterie van het begin van de geschiedenis

van het heelal beter wordt

begrepen."

Dat is onze taak.

Daar zijn we al 50 jaar mee bezig

en je zou denken dat dat probleem nu van de baan is.

Niets is minder waar.

Het probleem werd groter

in plaats van kleiner,

omdat we in 1998

iets cruciaals over het heelal zijn te weten gekomen.

De uitdijing versnelt!

Het heelal dijt niet alleen uit.

Als je kijkt naar een melkwegstelsel, dan gaat het van ons weg.

Kijk je een miljard jaar later opnieuw dan

zal het nog sneller van ons weg bewegen.

Individuele sterrenstelsels verwijderen zich steeds sneller en sneller van elkaar.

Dus zeggen we dat het heelal versneld uitdijt.

Waarom de entropie van het vroege heelal

laag was, weten we nog niet.

Maar we hebben op zijn minst een goede theorie die dat kan verklaren.

Als die theorie juist is

dan is dat de theorie van de donkere energie.

Het is het idee dat lege ruimte zelf energie bezit.

In elke kleine kubieke centimeter ruimte,

of daar al of niet iets inzit,

of er al dan niet deeltjes, materie, straling of wat dan ook in voorkomt,

is er nog steeds energie, zelfs in de ruimte zelf.

Deze energie oefent volgens Einstein

een druk uit op het universum.

Het is een eeuwigdurende impuls

die sterrenstelsels uit elkaar duwt.

Omdat donkere energie in tegenstelling tot materie of straling

niet verdunt als het heelal uitdijt.

De hoeveelheid energie in elke kubieke centimeter

blijft hetzelfde

zelfs als het universum groter en groter wordt.

Dit heeft cruciale gevolgen

voor wat het universum gaat doen in de toekomst.

Het heelal zal eeuwig blijven uitdijen.

Toen ik jullie leeftijd had

wisten we niet wat het universum zou gaan doen.

Sommige mensen dachten dat het universum in de toekomst terug zou instorten.

Einstein was dol op dit idee.

Maar als er donkere energie bestaat en ze niet verdwijnt,

dan zal het universum voor eeuwig en altijd blijven uitdijen.

14 miljard jaar

of 100 miljard hondenjaren zijn voorbij

maar een oneindig aantal jaren liggen in het verschiet.

Ondertussen ziet de ruimte

er voor ons eindig uit.

Ruimte kan eindig of oneindig zijn

maar omdat het heelal steeds sneller uitdijt

bestaan er delen die we niet kunnen zien

en nooit zullen zien.

We hebben slechts toegang tot een eindig deel van de ruimte dat

omgeven is door een horizon.

Dus hoewel de tijd eeuwig gaat duren

is de ruimte voor ons beperkt.

Ten slotte heeft de lege ruimte een temperatuur.

In de jaren '70 vertelde Stephen Hawking ons

dat een zwart gat, ook al denk je dat het alleen maar zwart is,

straling uitzendt,

als je rekening houdt met de kwantummechanica.

De kromming van de ruimte-tijd rond het zwarte gat

roept kwantummechanische fluctuaties op

en het zwarte gat straalt.

Een nauwkeurig gelijkaardige berekening door Hawking en Gary Gibbons

toonde aan dat, als je in de lege ruimte donkere energie hebt,

het hele universum straling produceert.

De energie van de lege ruimte

roept kwantumfluctuaties op.

Dus zelfs als het heelal eeuwig zou blijven bestaan

en gewone materie en straling weg zullen verdunnen

dan zal er zelfs in die lege ruimte

altijd wat straling,

wat thermische fluctuaties, overblijven.

Dit betekent

dat het heelal eruitziet

als een eeuwigdurende doos vol gas.

Wat houdt dat in?

Dat werd door Boltzmann al in de 19e eeuw bestudeerd.

Hij zei dat de entropie toeneemt

want er zijn veel veel meer manieren

voor het universum om een hoge entropie te hebben, eerder dan een lage entropie.

Maar dat is een probabilistische verklaring.

Ze zal waarschijnlijk toenemen

en de kans erop is enorm groot.

Iets waar je je geen zorgen over hoeft te maken is

dat de lucht in deze zaal zich in één hoek van de zaal zal verzamelen, zodat we zullen stikken.

Dat is zeer, zeer onwaarschijnlijk.

Behalve als ze de deuren op slot hielden

en ons hier letterlijk voor eeuwig binnenhielden,

zal dat ooit gebeuren.

Alles wat is toegestaan

elke configuratie die de moleculen in deze kamer kunnen innemen

zal zich uiteindelijk ooit voordoen.

Boltzmann zegt dat je kan beginnen met een universum

in thermisch evenwicht.

Hij wist nog niets over de oerknal. Hij wist niets over de uitdijing van het heelal.

Hij dacht dat ruimte en tijd werden verklaard door Isaac Newton -

ze waren absoluut; ze zouden er voor altijd zijn.

Dus zijn idee van een natuurlijk universum

was er een waarin de luchtmoleculen gewoon gelijkmatig verspreid waren -

- alle moleculen overigens.

Maar als je Boltzmann bent, dan weet je dat als je maar lang genoeg wacht,

de willekeurige fluctuaties van deze moleculen

hen zo nu en dan

in lagere entropieconfiguraties zullen brengen.

Maar dat ze zich daarna in de natuurlijke loop der dingen

terug zullen verspreiden.

Het is dus niet zo dat entropie altijd moet toenemen -

je kan fluctuaties naar lagere entropie,

naar meer georganiseerde situaties hebben.

Als dat waar is

komt Boltzmann vervolgens

op twee zeer modern klinkende ideeën:

het multiversum en het antropisch principe.

Het probleem met een thermisch evenwicht is

dat daarin geen leven mogelijk is.

Vergeet niet dat het leven zelf afhankelijk is van de pijl van de tijd.

We zouden niet in staat zijn om informatie te verwerken,

te metaboliseren, te lopen en te praten

als we in thermisch evenwicht zouden verkeren.

Stel je een zeer, zeer groot universum voor,

een oneindig groot heelal,

met willekeurig tegen elkaar aan botsende deeltjes.

Af en toe zullen daarin kleine fluctuaties naar lagere entropiestaten ontstaan

om dan weer te verdwijnen.

Maar er zullen ook grote schommelingen voorkomen.

Af en toe krijg je een planeet,

een ster, een melkwegstelsel

of honderd miljard sterrenstelsels.

Dus zegt Boltzmann dat

wij alleen maar in dat deel van het multiversum kunnen voorkomen,

waar zich deze immens grote reeks van fluctuaties heeft voorgedaan,

waar leven mogelijk is.

En dat is de plaats waar de entropie laag is.

Misschien is ons universum slechts één van die dingen

die af en toe gebeuren.

Als huiswerk moeten jullie eens nadenken

wat dit betekent.

Een beroemde uitspraak van Carl Sagan was

dat je "om een appeltaart te maken

je eerst een universum moest uitvinden."

Maar dat klopt niet.

In Boltzmanns scenario moet je om een appeltaart te krijgen

gewoon wachten tot de willekeurige beweging van atomen

je een appeltaart oplevert.

Dat zal veel vaker gebeuren

dan dat de willekeurige bewegingen van atomen

je een appelboomgaard,

alle ingrediënten en een oven opleveren

waarmee je vervolgens een appeltaart kan maken.

Dit scenario maakt voorspellingen.

En de voorspellingen zijn

dat de schommelingen, die ons doen ontstaan, minimaal zijn.

Stel je voor dat de zaal waarin we ons nu bevinden

echt bestaat en wij hier zijn

en dat we niet alleen onze eigen herinneringen hebben,

maar ook het idee dat er daarbuiten

zoiets als Caltech, de Verenigde Staten en de melkweg bestaan.

Het is veel eenvoudiger dat al die indrukken willekeurig in je hersenen rondzweven

dan dat de dingen daadwerkelijk zo willekeurig fluctueren

dat Caltech, de Verenigde Staten en de melkweg echt ontstaan.

Het goede nieuws is dat

dit scenario daarom niet werkt; het klopt niet.

Dit scenario voorspelt dat we een minimale schommeling moeten zijn.

Zelfs als je ons melkwegstelsel erbuiten laat,

ga je geen honderd miljard andere sterrenstelsels krijgen.

Dat had Feynman ook begrepen.

Feynman zegt: "Vanuit de hypothese dat de wereld een fluctuatie is

geven alle voorspellingen aan dat

als we naar een deel van de wereld, dat we nog nooit eerder hebben gezien, kijken,

we het chaotisch moeten vinden en niet zo geordend als we het net hebben gezien -

met hoge entropie dus.

Als onze orde te wijten was aan een fluctuatie, zouden we

nergens anders orde verwachten, behalve waar we ze zojuist hebben opgemerkt.

We concluderen daarom dat het universum geen fluctuatie is."

Dat is goed. Maar wat is dan het juiste antwoord?

Als het universum geen fluctuatie is

waarom had het vroege heelal dan een lage entropie?

Ik zou het jullie graag vertellen maar mijn tijd zit er bijna op.

(Gelach)

Hier is het universum waar we het over hadden

versus het universum dat echt bestaat.

Ik liet net dit beeld zien.

Het heelal dijt al zo'n 10 miljard jaar uit.

Het koelt af.

Maar we weten nu genoeg over de toekomst van het heelal

om nog veel meer te kunnen zeggen.

Als de donkere energie echt zal blijken te bestaan

zullen de sterren om ons heen hun nucleaire brandstof opgebruiken en uitdoven.

Ze zullen tot zwarte gaten vervallen.

Er zal dan een universum

met alleen maar zwarte gaten zijn.

Dat universum zal zo'n 10 tot de 100ste jaar blijven bestaan -

veel langer dan dat ons kleine universum al heeft bestaan.

De toekomst gaat veel langer duren dan het verleden.

Maar zelfs zwarte gaten zijn niet voor eeuwig.

Zij zullen verdampen

en er zal niets dan lege ruimte overblijven.

Die lege ruimte zou eeuwig blijven bestaan.

Maar doordat lege ruimte straling afgeeft

zullen er zich thermische schommelingen voordoen.

Alle verschillende mogelijke combinaties

van graden van vrijheid,

die er in de lege ruimte bestaan, zullen zich voordoen.

Dus zelfs als het universum eeuwig duurt,

is er slechts een eindig aantal dingen

dat daarin mogelijk zal kunnen gebeuren.

Ze zullen allemaal gebeuren over een tijdsduur

van 10 tot de 10e tot de 120ste jaar.

Hier zijn twee vragen voor jullie.

Nummer één: Als het universum 10 tot de 10e tot de 120ste jaar duurt

waarom zijn wij dan geboren

in de eerste 14 miljard jaar van het

warme, comfortabele nagloeien van de oerknal?

Waarom bestaan wij niet in de lege ruimte?

Je zou kunnen zeggen "Nou, daar is niets om leven mogelijk te maken."

maar dat is geen goed antwoord.

Je kon een toevallige fluctuatie van het niets zijn.

Waarom ben je dat niet?

Nog meer huiswerk voor je.

Zoals ik al zei ken ik het antwoord ook niet.

Maar ik ga jullie mijn favoriete scenario vertellen.

Ofwel is het gewoon zo en is er geen uitleg.

Dat is nu eenmaal een rauw feit over het heelal

dat je moet leren aanvaarden en ophouden met vragen te stellen.

Of misschien is de oerknal

niet het begin van het universum.

Een ei, een heel ei, heeft een lage entropieconfiguratie

en toch roepen wij bij het openen van onze koelkast

niet: "Ach kijk, nooit gedacht zo'n lage entropieconfiguratie

in onze koelkast aan te treffen."

Dat komt omdat een ei geen gesloten systeem is;

het komt uit een kip.

Misschien komt het universum uit een universele kip.

Misschien is er iets dat van nature

door de evolutie van de wetten van de natuurkunde,

aanleiding geeft tot een universum als het onze,

in lage entropieconfiguraties.

Als dat waar is, zou het meer dan eens moeten gebeuren;

wij zouden dan een deel van een veel groter multiversum zijn.

Dat is mijn favoriete scenario.

De organisatoren vroegen me om te eindigen met een gewaagde speculatie.

Mijn gewaagde speculatie

is dat de geschiedenis mij gelijk zal geven.

Binnen 50 jaar zullen

al mijn huidige wilde ideeën als waarheden aanvaard worden

door de wetenschappelijke en overige gemeenschappen.

We zullen allemaal geloven dat ons kleine universum

slechts een klein onderdeel is van een veel groter multiversum.

Nog beter, we zullen begrijpen wat er gebeurd is bij de oerknal

in termen van een theorie

die met de observaties overeen komt.

Dit is een voorspelling. Ik kan het mis hebben.

Maar we hebben als menselijk ras nagedacht

over wat het universum was,

waarom het werd wat het nu al zolang is.

Het is spannend om te denken dat we het antwoord ooit zullen kennen.

Dank je.

(Applaus)