Big Bang, het begin van ons Heelal?


Was de Big Bang het begin van ons heelal? Is er wel een begin geweest aan het heelal? Allemaal vragen die op Volkssterrenwacht MIRA regelmatig aan bod komen bij rondleidingen, vragen die veel mensen boeien en vooral intrigeren.

Scheppingsverhalen

Ik kan enkel vaststellen dat elke cultuur haar eigen scheppingsverhaal heeft en dat elk verhaal eigenlijk begint met... iets of iemand die reeds bestond. Bij de Grieken was het de oergod Chaos, die zich als een gapende leegte uitstrekte in het onmetelijke. In Indië begint een scheppingsverhaal met een gouden ei dat dreef op de oceaan van het niets. Ook in de Bijbel was er een reeds bestaande God die in het begin hemel en Aarde schiep. Men kan in die verhalen dus moeilijk spreken van echte scheppingsverhalen want volgens het woordenboek is scheppen "iets maken uit niets".

Kan de kosmologie ons op dit vlak iets bijbrengen?

De algemene relativiteitstheorie

Een moderne wetenschappelijke benadering van deze vragen kwam er pas in 1915, toen één van de belangrijkste wetenschappers ooit, Albert Einstein, voor de dag kwam met de algemene relativiteitstheorie, dit tien jaar na de publicatie van zijn speciale relativiteitstheorie. Die algemene relativiteitstheorie is een totaal nieuwe theorie over de zwaartekracht. Vóór 1915 werd de zwaartekracht beschouwd als een kracht die zich tussen massa's ogenblikkelijk voortplantte. Maar dit idee stelde de wetenschap wel voor een groot probleem. Sinds Einsteins speciale relativiteitstheorie wist men immers dat de lichtsnelheid c in het heelal een absolute maximumsnelheid betekent die niet kan overschreden worden. Hoe was het dan mogelijk dat de zwaartekracht zich met een oneindig grote snelheid kon voortplanten? Met zijn algemene relativiteitstheorie kwam Einstein met een oplossing voor dit probleem. Voor Einstein is de zwaartekracht gewoon te herleiden tot een meetkundige eigenschap van ruimte en tijd, en deze zijn niet langer strak en onveranderlijk. De aanwezige massa kan de ruimte vervormen en in die vervormde ruimte volgen voorwerpen dan een vrije baan. De vergelijkingen die Einstein over de ruimte opstelde gaan dus zeer ver: zij beschrijven noch min noch meer een eigenschap van het heelal an sich. Deze realiteit kan men zich moeilijk concreet voorstellen, enkel met een ingewikkeld wiskundig instrumentarium kan ze correct beschreven worden.

De gekromde ruimteDe gekromde ruimte

In het begin werd de nieuwe theorie van Einstein met enige scepsis bekeken. De toen nog niet zo bekende Einstein ging ook lijnrecht in tegen de gevestigde zwaartekrachtstheorie van de beroemde Isaac Newton. Maar de bewijzen van de echtheid van zijn theorie kwamen zeer vlug. Zo gaf de algemene relativiteitstheorie ons voor het eerst een wetenschappelijke verklaring voor de precessie van de planeet Mercurius. Ook kon bij een zonsverduistering de afbuiging van het licht door de Zon verklaard worden en werd de lenswerking bij sterrenstelsels waargenomen.

Gevolg voor de ideeën over het heelal

De complexe vergelijkingen die aan de basis lagen van de nieuwe algemene relativiteitstheorie lieten bepaalde wiskundigen niet onberoerd. Zo ontdekten, begin jaren 1920 de Rus Alexander Friedmann en de Belg Georges Lemaître, onafhankelijk van elkaar, dat de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie ook oplossingen inhielden, die een veranderlijk heelal mogelijk maakten. Het heelal zou dus niet noodzakelijk een statisch iets zijn, het zou evenzeer kunnen krimpen of uitzetten.

Deze visie van een veranderend heelal was in het begin zeker niet naar de zin van Einstein zelf. Hij bleef in die jaren geloven in een statisch heelal. Het is in deze context dat Einstein de beroemde woorden sprak tot Lemaître: " Uw wiskunde is misschien wel geniaal, maar klopt helaas niet met de realiteit". Einstein was zelfs zozeer van zijn gelijk overtuigd dat hij in zijn oorspronkelijke vergelijkingen een nogal artificieel overkomende correctieterm toevoegde, die hij de kosmologische constante Λ (lambda) noemde. Deze term was gewoon bedoeld om zijn statisch heelal te vrijwaren.

Uitdijend universumUitdijend universum

Een uitdijend universum

In de jaren 1920 gebeurde er nog iets belangrijks dat kosmologische consequenties zou hebben. De Amerikaan Edwin Hubble bestudeerde met de grote telescoop van het Mount Wilson Observatory de bewegingen van sterrenstelsels. In 1929 ontdekte hij een verbluffend fenomeen, dat fundamenteel zou blijken te zijn voor de verdere ontwikkeling van de kosmologie, namelijk dat andere sterrenstelsels zich van ons verwijderen. Dat was in die tijd een zeer onthutsende vaststelling want … zijn wij dan het centrum van het heelal?

Lemaître, die zich in diezelfde periode in de Verenigde Staten bevond, plaatste de ontdekking van Hubble echter in een breder kader. Hij interpreteerde de waarnemingen van Hubble niet in het kader van de klassieke fysica maar wel in het kader van de nieuwe algemene relativiteitstheorie, en kon zo aantonen dat in de gebogen ruimte van de relativiteitstheorie het niet de sterrenstelsels zijn die zich van ons verwijderen maar dat het de ruimte zelf is die uitzet. Sterrenstelsels zelf zijn dus onbeweeglijk. Enkel het heelal expandeert en de sterrenstelsels worden gewoon meegesleurd met het uitzettend heelal. Men kan het vergelijken met een kermisballon waarop puntjes zijn getekend. Wanneer men deze ballon opblaast blijven ook de puntjes vast op hun plaats en toch verwijderen ze zich van elkaar door de zich uitzettende ballon. Nu was Einstein wel verplicht Lemaître gelijk te geven, en in 1931 erkende hij dan ook in een artikel dat hij met de kosmologische constante de grootste blunder van zijn leven had begaan.

Naar het begin van het heelal

Lemaître ging consequent nog een stap verder in zijn redenering. Aangezien het heelal uitzet, moet ditzelfde heelal in het verleden kleiner geweest zijn. Als men de film van ons heelal naar het verleden terugdraait moet het kleiner en kleiner geweest zijn, totdat het ooit herleid was tot een klein, hoog energetisch 'oeratoom'. Volgens dit idee van Lemaître is het heelal zoals wij het vandaag kennen ooit dus ontstaan uit een piepklein oeratoom.

Maar de eerste berekeningen die Lemaître uitvoerde om de ouderdom van het heelal te bepalen leverden hem niet het verhoopte succes op, ze vielen zelfs ronduit tegen. Volgens die berekeningen zou het heelal niet eens zo oud zijn als de Aarde.

Lemaître ondervond met zijn nieuwe theorie dan ook veel tegenstand. Het was in die periode dat een verwoed tegenstander van Lemaître, Fred Hoyle, in een radioprogramma op de BBC nogal smalend en voor het eerst over de 'Big Bang van Lemaître' spreekt. De benaming Big Bang komt dus niet van Lemaître, maar ze is wel een eigen leven gaan leiden. Vandaag wordt nog uitsluitend over de Big Bang gesproken. Deze benaming is wel niet zo gelukkig gekozen want ze suggereert ons een beeld van het begin van het heelal dat niet strookt met de realiteit.

De twijfels en de discussies over de juistheid van de theorie van Lemaître zouden nog duren tot in 1965. In dat jaar ontdekten Penzias en Wilson de kosmische achtergrondstraling, een overblijfsel van de warmtestraling die kort na de oerknal werd uitgezonden en die wij nu nog kunnen waarnemen. Deze stralen konden zich pas 380.000 jaar na de oerknal verspreiden in het Heelal, dat toen door de vorming van atoomkernen doorzichtig begon te worden. Tal van andere waarnemingen, zoals deze van de COBE-, de WMAP- en de Planck-satelliet zouden de oerknaltheorie later nog bevestigen. Spijtig genoeg heeft Lemaître zelf nooit de echte doorbraak van zijn theorie ten volle mogen meemaken. Hij overleed immers in 1966.

De kosmische achtergrondstraling gezien door de Planck-satellietDe kosmische achtergrondstraling gezien door de Planck-satelliet

Problemen met de oerknaltheorie

Ondertussen ontwikkelde de kosmologie zich verder, en de oorspronkelijke theorie van Lemaître kreeg te kampen met moeilijkheden. Er doken problemen op waarvoor ze in haar klassieke vorm geen antwoord had. Zo kwam men bij het extrapoleren van het huidig heelalmodel naar het verleden toe terecht bij een tijd 'nul', een tijdstip waarop het heelal een oneindig grote dichtheid en een oneindig hoge temperatuur moest hebben. Men botste dus op een 'singulariteit', en dergelijke situaties geven kosmologen steeds een ongemakkelijk gevoel. Een aanpassing van het klassiek Lemaître-model drong zich op.

En er was nog een ander fundamenteel probleem. De oorspronkelijke theorie van Lemaître deed uitsluitend beroep op de algemene relativiteitstheorie, maar als men de film van ons heelal terugdraait naar het verleden toe komt men op een bepaald moment terecht in een zeer klein heelal dat vooral uit hoog energetische deeltjes bestaat en voor die deeltjes spelen, naast de zwaartekracht, ook de drie andere natuurkrachten - de zwakke en de sterke kernkracht en de elektromagnetische kracht - een belangrijke rol. Nu zijn deze drie krachten enkel te behandelen met de kwantumtheorie, en deze theorie blijkt niet te kunnen samenleven met de algemene relativiteitstheorie. Om het prille begin van het heelal - toen het amper 10-43 seconden oud was - te kunnen bestuderen zou men in staat moeten zijn om een beroep te doen op beide theorieën, en daartoe is de wetenschap vandaag niet in staat. We zijn dus in de geschiedenis van ons heelal op een onoverkoombare muur gestoten, een muur die wij ook de muur van Planck noemen. Wat zich vóór deze muur heeft afgespeeld is voor ons niet toegankelijk. Elk wiskundig formalisme om over die grens te kunnen kijken ontbreekt.

Cruciale vragen, én mogelijke oplossingen?

Nu stellen zich wel enkele cruciale vragen. Als men niet voorbij de Planckmuur kan kijken, wat betekent dan 'het begin van het heelal'? Is dit begin voor ons ontoegankelijk? Is er wel een begin geweest? Wat bedoelt men juist als wij zeggen dat het heelal 13,7 miljard jaar oud is?

Gelukkig zijn er nieuwe theorieën in de maak die een oplossing kunnen bieden voor de problemen die de algemene relativiteitstheorie en de kwantumtheorie ons stellen. Eén van die theorieën is de snaartheorie en al is die theorie nog in volle ontwikkeling en niet experimenteel bewezen, toch reikt zij ons in haar huidige vorm een oplossing voor veel van de moeilijkheden in verband met de kosmologie van vandaag.

In de snaartheorie wordt verondersteld dat alle elementaire deeltjes die wij kennen geen minuscule punten zijn maar kleine trillende snaartjes. Net als een vioolsnaar verschillende tonen kan voortbrengen door op verschillende manieren te trillen, geven ook de snaartjes door op een verschillende manier te trillen gestalte aan de verschillende elementaire deeltjes in de natuur. Zo kan men het bestaan verklaren van o.a. quarks en elektronen. De snaartheorie veronderstelt wel een ruimte die 6 à 7 dimensies méér bevat dan de klassieke dimensies die wij gewoon zijn, maar deze bijkomende dimensies zijn zo klein opgerold dat ze voor ons verborgen blijven.

Onder bepaalde voorwaarden is de snaartheorie in staat de contradicties op te lossen die er op het microscopisch niveau bestaan tussen de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie. Ze biedt ons dus ook de mogelijkheid om het prille begin van het heelal te benaderen.

De snaartheorie heeft ons ook enkele opmerkelijke resultaten geopenbaard. Volgens de snaartheorie kan de temperatuur die er bij het begin van het heelal heerste onmogelijk oneindig geweest zijn. In het begin zal de temperatuur ongetwijfeld enorm hoog geweest zijn, maar de waarde oneindig verdwijnt uit de vergelijkingen. Uit de vergelijkingen van de snaartheorie verdwijnt ook het tijdstip 0 voor de tijd. Wat wij zonder goed te beseffen wat het juist betekent, de oorsprong van het heelal noemen, wordt volgens de snaartheorie gewoon herleid tot een faseovergang tussen iets en iets anders. Dit heeft als gevolg dat er aan de Big Bang een pre-Big Bang moet zijn voorafgegaan. In deze pre-Big Bang-tijd moet er reeds iets geweest zijn dat steeds maar kleiner geworden is. Daardoor moet de temperatuur dan ook steeds meer en meer opgelopen zijn, zonder evenwel de waarde oneindig te bereiken. Eenmaal die maximumgrens bereikt voor de temperatuur kon het heelal niet meer kleiner worden, en is het als het ware teruggekaatst en opnieuw beginnen uitzetten.

Van niets naar iets?

Deze resultaten stellen ons voor een volledig nieuwe situatie. Als de snaartheorie juist is, zou wat aan de Big Bang voorafging niet langer een soort metafysisch probleem hoeven te zijn, maar zou het herleid zijn tot een fysisch probleem. We hebben op dit ogenblik geen enkel bewijs dat het heelal ooit een begin heeft gehad. Maar dit betekent niet dat er geen begin geweest is. Alleen weten wij het niet.

We zijn vandaag enkel in staat om te vertellen hoe onze geschiedenis verlopen is tussen 13,7 miljard jaar geleden en nu. Wat daar voordien gebeurd is, weten wij niet. Men kan zich de vraag stellen of wij ooit de absolute oorsprong van het heelal zullen kunnen achterhalen, dat wil zeggen het momentum waarop iets uit niets te voorschijn kwam. Het begin van het heelal blijft dus meer dan ooit een open vraag...

Tekst: Emiel Beyens
24/02/2017