Brian Greene: Is ons universum het enige universum?

Bestaat er meer dan één universum? In deze visueel uitbundige, dynamische talk laat Brian Greene zien hoe de onbeantwoorde vragen van de natuurkunde (beginnend bij een grote: wat veroorzaakte de oerknal?) hebben geleid tot de theorie dat ons universum slechts één van de vele is in het 'multiversum'.

Een paar maanden geleden

werd de Nobelprijs voor de natuurkunde

toegekend aan twee teams van astronomen

voor een ontdekking die werd geroemd

als een van de belangrijkste

astronomische waarnemingen ooit.

En vandaag ga ik jullie, na een korte beschrijving van wat ze vonden,

iets vertellen over de hoogst controversiële context

voor het verklaren van hun ontdekking,

namelijk de mogelijkheid

dat ver buiten de Aarde,

de Melkweg en andere verafgelegen sterrenstelsels,

ons universum misschien

niet het enige universum is,

maar deel uitmaakt

van een enorm complex van universa

dat we het multiversum noemen.

Het idee van een multiversum is een vreemd idee.

De meesten van ons zijn opgevoed met het idee

dat het woord "heelal" alles betekent.

En ik zeg 'de meesten van ons' met in mijn achterhoofd

mijn vier jaar oude dochter die mij over deze ideeën heeft horen praten sinds haar geboorte.

Vorig jaar nam ik haar op de arm

en zei: "Sophia,

Ik hou meer van je dan van om het even wat in het universum."

Ze draaide zich naar me om en zei: "Papa,

universum of multiversum?"

(Gelach)

Maar behoudens een dergelijke abnormale opvoeding,

is het vreemd je

andere ruimtes dan de onze voor te stellen,

de meeste met fundamenteel verschillende eigenschappen,

die terecht universa op zich zouden kunnen worden genoemd.

En hoe

speculatief het idee zeker is,

probeer ik jullie er toch van te overtuigen

dat er reden is om het serieus te nemen,

omdat het gewoon waar zou kunnen zijn.

Ik ga het verhaal van het multiversum in drie delen vertellen.

In deel één

ga ik de Nobelprijs-winnende resultaten beschrijven

en het diepgaande mysterie

dat deze resultaten onthulden.

In deel twee

zal ik een oplossing bieden voor dat mysterie.

Die is gebaseerd op een benadering die 'snaartheorie' wordt genoemd.

Dat is waar het idee van het multiversum

in het verhaal zal opduiken.

Tot slot, in deel drie,

ga ik een kosmologische theorie beschrijven

die 'inflatietheorie' wordt genoemd en

die alle stukken van het verhaal in elkaar zal laten passen.

Oké, deel één begint in 1929

toen de grote astronoom Edwin Hubble

besefte dat de verafgelegen sterrenstelsels

zich allemaal van ons weg haastten.

Hij constateerde dat de ruimte zelf uitdijde,

aangroeide.

Dit was revolutionair.

De heersende mening was dat op de grootste schaal

het heelal statisch was.

Maar toch

was er één ding waar iedereen zeker van was:

de uitdijing moest vertragen.

Net zoals de zwaartekracht van de aarde

de stijging van een omhoog gegooide appel vertraagt

zou de gravitationele aantrekking

van elk sterrenstelsel op elk ander

de uitdijing van de ruimte

moeten vertragen.

Laten we nu even snel doorspoelen naar de jaren negentig,

als die twee teams van astronomen

die ik in het begin noemde,

door deze redenering werden geïnspireerd

om de vertraging

van deze uitdijing te gaan meten.

Zij deden dit

door nauwgezette waarnemingen

van talrijke verafgelegen sterrenstelsels,

waardoor ze in kaart konden brengen

hoe de uitdijingsnelheid veranderde in de tijd.

Hier is de verrassing:

ze vonden dat de uitdijing niet vertraagt.

Ze vonden dat ze versnelt.

Ze gaat sneller en sneller.

Dat is als het omhoog gooien van een appel

en hem sneller en sneller omhoog zien gaan.

Als je een appel dat zag doen,

zou je willen weten waarom.

Wat duwt hem?

De resultaten van de astronomen

zijn zeker een Nobelprijs waard,

maar zij riepen een soortgelijke vraag op.

Welke kracht drijft alle sterrenstelsels

uit elkaar

met een steeds groter wordende snelheid?

Het veelbelovendste antwoord

komt van een oud idee van Einstein.

We zijn allemaal gewoon om zwaartekracht

te zien als een kracht die één ding doet:

objecten naar elkaar toe trekken.

Maar in Einsteins theorie van de zwaartekracht,

zijn algemene theorie van relativiteit,

kan zwaartekracht ook dingen uit elkaar duwen.

Hoe? Einstein berekende

dat als de ruimte gelijkmatig

met een onzichtbare energie is gevuld --

een soort uniforme, onzichtbare mist --

dan zou de daardoor ontstane zwaartekracht

afstotend werken.

Afstotende zwaartekracht,

precies wat we nodig hebben om de waarnemingen te verklaren.

Omdat de afstotende zwaartekracht komt

van een onzichtbare energie in de ruimte --

wij noemen het nu donkere energie,

maar ik heb ze hier rokerig wit gemaakt zodat je ze kunt zien.

Die afstotende zwaartekracht

zou elk sterrenstelsel doen duwen tegen elk ander,

en de uitdijing doen versnellen,

niet vertragen.

Deze uitleg

betekent een grote vooruitgang.

Maar ik beloofde jullie een mysterie

hier in deel één.

Hier komt het.

Toen de astronomen hadden uitgewerkt

hoeveel van deze donkere energie

de ruimte moet vullen

om de kosmische versnelling te verklaren,

vonden ze dit.

Dit getal is klein.

Uitgedrukt in de juiste eenheden

is het spectaculair klein.

En het mysterie is het verklaren van dit eigenaardige getal.

Wij willen dit getal

afleiden uit de wetten van de fysica,

maar tot nu toe is niemand daarin geslaagd.

Nu zou je je kunnen afvragen

of je daar wakker van moet liggen.

Misschien is de verklaring van dit getal

slechts een technische kwestie,

alleen van belang voor deskundigen,

maar zonder belang voor iemand anders.

Het is zeker een technisch detail,

maar sommige details doen er echt toe.

Sommige details gunnen ons

een blik naar onbekende rijken van de werkelijkheid,

en dit eigenaardige getal doet dat wellicht.

De enige aanpak die het tot dusver enigszins kan verklaren

roept de mogelijkheid op van andere universa --

een idee dat van nature voortvloeit uit de snaartheorie.

Dat brengt me bij deel twee: de snaartheorie.

Hou het mysterie van de donkere energie

in je achterhoofd

terwijl ik jullie

drie belangrijke dingen over de snaartheorie ga vertellen.

Eerst, wat is het?

Het is een poging om Einsteins droom

van een verenigde theorie van de natuurkunde te realiseren,

één enkel overkoepelend kader

dat alle krachten aan het werk in het universum

zou kunnen beschrijven.

De centrale idee van de snaartheorie

is vrij rechttoe rechtaan.

Het zegt dat als je enig stuk materie

steeds fijner gaat onderzoeken,

je eerst moleculen vindt,

dan atomen en subatomaire deeltjes.

Maar de theorie zegt dat als je nog dieper

zou gaan dan mogelijk is met de bestaande technologie,

je iets anders binnen deze deeltjes zou vinden --

een klein vibrerend draadje energie,

een heel kleine vibrerende snaar.

En net als de snaren op een viool

zou ze in verschillende patronen kunnen trillen

en verschillende muzikale noten produceren .

Deze kleine fundamentele snaren

produceren door in verschillende patronen te trillen

verschillende soorten deeltjes --

dus elektronen, quarks, neutrino's, fotonen

en alle andere deeltjes

zouden worden verenigd in één enkel kader,

aangezien ze allemaal voortkomen uit trillende snaren.

Het is een fascinerend beeld,

een soort kosmische symfonie.

Alle variatie

die we in de wereld om ons heen zien,

komt van de muziek

die deze uiterst kleine snaren produceren.

Maar er hangt een prijskaartje

aan deze elegante eenwording,

want jaren van onderzoek

hebben aangetoond dat de wiskunde van de snaartheorie niet helemaal werkt.

Ze heeft interne tegenstrijdigheden,

tenzij we

iets geheel onbekends erbij halen --

extra dimensies van ruimte.

Dat wil zeggen, we kennen allemaal de gebruikelijke drie dimensies van de ruimte.

Je kent ze als

hoogte, breedte en diepte.

Maar de snaartheorie zegt dat er op enorm kleine schaal

extra dimensies zijn

opgerold tot uiterst kleine afmetingen, zo klein

dat wij ze niet konden detecteren.

Maar hoewel die dimensies verborgen zijn,

zouden ze een impact hebben op de dingen die we kunnen waarnemen

omdat de vorm van de extra dimensies

bepaalt hoe de snaren kunnen trillen.

In de snaartheorie,

bepalen trillingen alles.

Zo zouden deeltjesmassa's, de sterktes van krachten,

en belangrijker nog, de hoeveelheid donkere energie

worden bepaald

door de vorm van die extra dimensies.

Als we de vorm van de extra dimensies kenden dan

zouden we deze grootheden moeten kunnen berekenen

evenals de hoeveelheid donkere energie.

Het probleem is

dat we de vorm

van die extra dimensies niet kennen.

Alles wat we hebben

is een lijst van kandidaatvormen

toegestaan door de wiskunde.

Toen deze ideeën voor het eerst werden ontwikkeld,

waren er slechts ongeveer vijf mogelijke vormen.

Dus je kan je voorstellen

dat we ze stuk voor stuk analyseerden

om te bepalen of een ervan

de fysieke kenmerken die we waarnemen zou kunnen opleveren.

Maar na verloop van tijd groeide de lijst

doordat onderzoekers andere kandidaat-vormen vonden.

Van vijf groeide het aantal naar honderden en vervolgens naar duizenden --

een grote, maar nog mogelijkerwijs te analyseren collectie,

aangezien alle masterstudenten

iets omhanden moeten hebben.

Maar vervolgens bleef de lijst groeien

naar miljoenen en miljarden.

De lijst van kandidaat-vormen

steeg tot ongeveer 10 tot de 500ste.

Wat te doen?

Sommige onderzoekers verloren de moed en

besloten dat met zo veel kandidaatvormen voor extra dimensies,

elk met hun eigen verschillende fysieke kenmerken,

de snaartheorie nooit

testbare voorspellingen zou kunnen maken.

Maar anderen keerden dit probleem om

door de mogelijkheid van een multiversum erin te betrekken.

Hier is het idee.

Misschien is elk van deze vormen gelijkwaardig aan alle andere.

Elk is zo reëel als elk ander,

in de zin

dat er vele universa zijn,

elk met een andere vorm voor de extra dimensies.

Dit radicale voorstel

heeft een diepgaande invloed op dit mysterie:

de hoeveelheid donkere energie die bleek uit de Nobelprijswinnende resultaten.

Omdat,

als er andere universa zijn

en als die universa

elk een andere vorm hebben voor die extra dimensies,

dan zullen de fysieke kenmerken van elk universum verschillen,

en in het bijzonder zal

de hoeveelheid donkere energie in elk universum

anders zijn.

Dat betekent dat het mysterie van

het verklaren van de gemeten hoeveelheid donkere energie

een heel andere aanpak zal vergen.

In dit verband

kunnen de wetten van de fysica één getal voor de donkere energie niet uitleggen

want er is niet slechts één getal,

er zijn er veel.

Dat betekent

dat we de verkeerde vraag stelden.

De juiste vraag om te stellen is:

waarom bevinden wij mensen ons in een universum

met een bepaalde, gemeten hoeveelheid donkere energie,

in plaats van een van de andere mogelijkheden

die er zijn?

Dat is een vraag waarmee we vooruit kunnen.

Omdat in alle universa,

die veel meer donkere energie hebben dan het onze,

wanneer materie tot melkwegstelsels probeert samen te klonteren,

de afstotingskracht van de donkere energie zo sterk is

dat alles uit elkaar geduwd wordt

en melkwegstelsels zich niet kunnen vormen.

En alle universa die veel minder donkere energie hebben,

zullen zo snel terug instorten

dat zich ook geen melkwegstelsels kunnen vormen.

Zonder melkwegstelsels zijn er geen sterren, geen planeten

en geen kans

op onze vorm van leven

in die andere universa.

Dus we bevinden ons in een universum

met die bepaalde hoeveelheid donkere energie die we hebben gemeten

gewoon omdat ons universum omstandigheden kent

waarin onze vorm van leven gedijt.

Dat zou het moeten zijn.

Mysterie opgelost,

multiversum gevonden.

Nu vinden sommigen deze uitleg onbevredigend.

We zijn het gewoon dat de natuurkunde

ons definitieve verklaringen geeft voor waarnemingen.

Maar het punt is

dat als datgene wat je waarneemt

een grote verscheidenheid aan waarden

kan aannemen

over het bredere landschap van de werkelijkheid,

dan is één uitleg bedenken

voor één bepaalde waarde

gewoonweg misplaatst.

Een vroeg voorbeeld

komt van de grote astronoom Johannes Kepler.

Die was geobsedeerd door

een ander getal:

waarom is de zon 150 miljoen km van de aarde verwijderd.

Hij werkte decennialang om er een verklaring voor te vinden,

zonder erin te slagen en wij weten nu waarom.

Kepler stelde

de verkeerde vraag.

We weten nu dat er veel planeten zijn

op allerlei afstanden van hun gastheersterren.

Hopen dat de wetten van de fysica

één bepaalde waarde, 150 miljoen km, zal verklaren,

is zoeken in de verkeerde richting.

De juiste vraag is:

waarom bevinden wij mensen ons op een planeet

op precies deze afstand,

in plaats van op een van de andere mogelijkheden?

Dat is een vraag die we kunnen beantwoorden.

Planeten die veel dichter bij een ster als de zon bewegen,

zouden zo heet zijn

dat onze vorm van leven er niet zou bestaan.

Planeten die veel verder weg van die ster zijn,

zijn zo koud

dat onze vorm van leven er ook niet zou kunnen gedijen.

Dus zitten we

op een planeet op deze bepaalde afstand

gewoon omdat die de omstandigheden biedt

die essentieel zijn voor onze vorm van leven.

Als het gaat om planeten en hun afstanden tot hun zon

is dit duidelijk de juiste soort redenering.

Het punt is dat

als het gaat om universa en de donkere energie die zij bevatten,

dit ook de juiste manier van redeneren kan zijn.

Één belangrijk verschil is natuurlijk dat we

afweten van het bestaan van andere planeten

maar tot nu toe heb ik alleen maar gespeculeerd

over de mogelijkheid van andere universa.

Om het allemaal aannemelijk te maken

hebben we een mechanisme nodig

dat andere universa kan laten ontstaan.

Dat brengt me bij mijn laatste deel, deel drie.

Een dergelijk mechanisme is namelijk ontdekt

door kosmologen die de Oerknal probeerden te begrijpen.

Wanneer we spreken van de Oerknal

hebben we vaak een idee

van een soort kosmische explosie

die ons universum creëerde

en de ruimte liet uitdijen.

Maar er is een klein geheimpje.

De Oerknaltheorie vergeet iets vrij belangrijks,

namelijk de 'Knal'.

De theorie vertelt ons hoe het heelal evolueerde na de Knal,

maar geeft ons geen inzicht

in wat de Knal zelf zou hebben aangedreven.

Uiteindelijk werd deze leemte opgevuld

door een verbeterde versie van de Oerknaltheorie.

Ze heet de 'inflatoire kosmologie'.

Ze voorziet in een bepaald soort 'brandstof'

die van nature de ruimte

zou doen uitdijen.

Die brandstof is gebaseerd op wat een kwantumveld wordt genoemd,

maar het enige detail dat voor ons van belang is,

is dat deze brandstof zo efficiënt blijkt te zijn

dat het vrijwel onmogelijk is

om ze helemaal op te gebruiken.

Dat betekent dat in de inflatoire theorie,

de Oerknal die aanleiding gaf tot ons universum

waarschijnlijk geen eenmalige gebeurtenis is.

Die brandstof genereerde niet alleen onze Oerknal

maar zou tevens talloze andere Oerknallen opwekken.

Elk aan de basis van zijn eigen aparte universum

met ons universum als slechts één bel

in een groot kosmisch bubbelbad van universa.

Als we dit koppelen aan de snaartheorie

geeft dat het volgende beeld.

Elk van deze universa heeft extra dimensies.

De extra dimensies nemen een breed scala van verschillende vormen aan.

De verschillende vormen leveren verschillende fysische eigenschappen op.

Wij bevinden ons in dit universum en niet in een ander,

simpelweg omdat in ons universum

de fysische eigenschappen, zoals de hoeveelheid donkere energie,

kloppen om onze vorm van leven te laten ontstaan.

Dit is het fascinerende, maar hoogst controversiële beeld

van de uitgebreidere kosmos

die de meest geavanceerde observatie en theorie

ons nu serieus doen overwegen.

Een grote resterende vraag is natuurlijk:

kunnen we het bestaan van andere universa

ooit bevestigen?

Ik zal een manier beschrijven

hoe dat ooit zou kunnen gebeuren.

De inflatoire theorie

heeft een al krachtige observationele ondersteuning.

Want de theorie voorspelt

dat de oerknal zo intens zou zijn geweest

dat als de ruimte snel uitdijde

kleine kwantumschommelingen uit de microwereld

zouden zijn uitgerekt tot de macrowereld.

Dat zou een kenmerkende vingerafdruk opleveren,

een patroon van iets warmere en iets koudere vlekken

doorheen de ruimte.

Krachtige telescopen hebben dat nu waargenomen.

Als er andere universa zouden bestaan

dan voorspelt de theorie dat

deze universa af en toe kunnen botsen.

Als ons universum door een ander werd geraakt,

dan zou die botsing

een extra subtiel patroon

van temperatuurschommelingen over de ruimte genereren.

Ooit zullen we die misschien

kunnen detecteren.

Hoe exotisch deze voorstelling ook is,

ooit zal ze misschien ondersteund worden

door waarnemingen

die het bestaan van andere universa zouden bevestigen.

Ik zal afsluiten

met een in het oog springend gevolg

van al deze ideeën

voor de zeer verre toekomst.

We hebben gezien

dat ons universum niet statisch is,

dat de ruimte uitdijt,

dat die uitdijing versnelt,

en dat er mogelijk andere universa bestaan.

Dit alles door het zorgvuldig onderzoeken

van zwakke bundeljes sterrenlicht

die ons bereiken vanuit verafgelegen sterrenstelsels.

Maar omdat de uitdijing versnelt,

zullen in de zeer verre toekomst

die sterrenstelsels zo ver en zo snel van ons weg bewegen

dat we ze niet meer kunnen zien --

niet vanwege technologische beperkingen,

maar vanwege de wetten van de fysica.

Het licht dat die sterrenstelsels uitzenden,

zal zelfs met de grootste snelheid, die van het licht,

niet meer de groeiende kloof

tussen ons en hen kunnen overbruggen.

Astronomen in de verre toekomst zullen,

starend in de diepe ruimte,

niets anders zien dan een eindeloze uitgestrektheid

van statische, inktzwarte stilte,

en concluderen

dat het heelal statisch en onveranderlijk is

en bevolkt door één enkele centrale oase van materie

waar ze wonen --

een beeld van de kosmos

waarvan wij nu absoluut weten dat het niet klopt.

Misschien zullen die toekomstige astronomen beschikken

over verslagen uit een vroeger tijdperk

als het onze.

Verslagen die getuigen van een uitdijende kosmos

vol melkwegstelsels.

Maar zullen die toekomstige astronomen

die oude kennis geloven?

Of zullen ze geloven

in het zwarte, statische, lege heelal

dat ze met hun eigen technolgie kunnen waarnemen?

Ik vermoed het laatste.

Wat betekent dat we leven

in een opmerkelijk bevoorrecht tijdperk

nu bepaalde diepe waarheden over de kosmos

nog steeds binnen het bereik vallen

van de menselijke geest van exploratie.

Het lijkt erop dat het niet altijd zo zal zijn.

Want hedendaagse astronomen hebben,

door hun krachtige telescopen op de hemel te richten,

een handvol erg informatieve fotonen ingevangen --

een soort kosmisch telegram

dat miljarden jaren onderweg was.

De boodschap die over de eonen heen weerklinkt, is duidelijk.

Soms bewaakt de natuur haar geheimen

onder het onverbreekbare slot

van fysische wetten.

Soms gloort de ware aard van werkelijkheid

net voorbij de horizon.

Hartelijk dank.

(Applaus)

Chris Anderson: Brian, dank je.

De ideeën die je zojuist hebt voorgesteld

zijn duizelingwekkend, opwindend, ongelooflijk.

Waar denk je

dat de huidige kosmologie

in een historische context moet worden geplaatst?

Zitten we volgens jou bij een historisch omslagpunt?

BG: Dat is moeilijk te zeggen.

Wanneer we leren we dat astronomen in de verre toekomst

wellicht niet genoeg informatie meer zullen hebben,

dan komt de vraag bij je op of nu al

bepaalde diepe, kritieke eigenschappen van het heelal

zijn ontsnapt aan ons vermogen om ze ooit te begrijpen,

door de manier waarop de kosmologie evolueert.

Vanuit dat perspectief

zullen we ons misschien altijd vragen blijven stellen

en ze nooit volledig kunnen beantwoorden.

Aan de andere kant weten we nu

hoe oud het universum is.

We kunnen nu

de gegevens van de achtergrondstraling,

die 13,72 miljard jaar geleden vrij kwam, begrijpen --

en toch kunnen wij vandaag rekenen om te voorspellen hoe het er zal uitzien

en het klopt nog ook.

Dat is gewoon geweldig.

Aan de ene kant is het ongelooflijk waar we al zijn geraakt,

maar wie weet wat voor soort hindernissen we in de toekomst nog gaan tegenkomen.

CA: Je blijft hier nog enkele dagen.

Misschien kunnen sommige van deze gesprekken blijven doorgaan.

Bedankt. Dank je, Brian. (BG: Het genoegen was helemaal voor mij.)

(Applaus)