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)