Het universum als een draaiorgel

Kosmologen proberen het onkenbare kenbaar te maken, astronomen het onzichtbare af te beelden. Dat leidt tot fundamentele vragen over de werkelijkheid waarin we ons bevinden en de manier waarop we die kunnen kennen. Eén ding is volgens wetenschapshistoricus Ad Maas duidelijk: we leven in een krankzinnig universum.

Stephen Hawking had de gewoonte jaarlijks één promovendus aan te nemen, het ene jaar voor zwarte-gatenonderzoek en het andere voor kosmologische vraagstukken. Het jaar dat Thomas Hertog wordt uitverkoren, is kennelijk een kosmologiejaar. De Belgische student mag zich met zijn illustere promotor het hoofd gaan breken over het ontstaan van het universum en waarom dat is zoals het is; toch wat anders dan het pietepeuterige detailonderzoek dat de meeste promovendi ten deel valt. Dat hoofdbreken vergde dan ook wat langer dan de tijdspanne van een promotie-onderzoek: twee decennia duurde de wetenschappelijke samenwerking tussen de Brit en de Belg uiteindelijk, tot het overlijden van de eerste in 2018. Al zijn twintig luttele jaren op de tijdschalen die kosmologen overdenken natuurlijk alleszins overzichtelijk.

Hertog doorloopt met zijn leermeester – volgens hem de meest avontuurlijke van alle theoretische natuurkundigen – een weergaloze ontdekkingsreis langs de verste uithoeken van de natuurkunde, kosmologie en wetenschapsfilosofie. Samen boetseren ze Hawkings laatste grote theoretische bouwwerk. ‘Tijd voor een nieuw boek… zet er holografie in’, waren de laatste woorden van Hawking aan Hertog. Dat boek, dat is er nu.

Begin zonder tijd

Onze ogenschijnlijk zo lapidaire natuurwetten, lezen we daarin, zijn er niet altijd geweest. Ze hebben een grillige ontstaansgeschiedenis gekend in het vroege universum, net als de natuurconstanten en -krachten, en die andere pijlers van onze werkelijkheid: materie, ruimte en tijd. Dat ons universum drie (merkbare) ruimtelijke dimensies heeft? Hadden er ook vijf kunnen zijn. Of twee. En de tijd? Die bestond aanvankelijk niet, maar was een ruimtelijke dimensie. U leest het goed. Riemen vast dus.

Maar eerst nog even over die aanvangstijd. Kort na de oerknal heeft het universum kennelijk een soort darwinistisch evolutieproces doorgemaakt van variatie en selectie. Onvoorspelbare kwantumsprongen zorgden voor variaties, zoals mutaties die teweegbrengen bij biologische evolutie, en die soms niet en soms wel beklijfden. Zo viel geleidelijk alles in een plooi: drie ruimtelijke dimensies, vier fundamentele natuurkrachten en een protonmassa van 1,69.10-27 kg. De natuurkundige bedding waarop het universum ontbotte was gelegd. De ruimte kon gaan expanderen, sterren ontbrandden en klonterden samen in sterrenstelsels, planeten startten hun rondjes en op ten minste één daarvan ontstond leven.

Ondertussen was er met die expansie trouwens wel iets vreemds aan de hand: na een periode van extreem snelle uitdijing remde ze af, om later weer steeds sneller te gaan. Zonder deze ‘vertraagde expansie’ had zich geen sterrenstelsel kunnen vormen.

En wat was er dan voor de oerknal? Deze vraag blijkt nu niet de juiste te zijn: in het allervroegste universum, als de wetten van de kwantummechanica heersen, is er helemaal geen tijd. Als we de film van de kosmologische evolutie terugspoelen, zien we de tijd dicht bij de oorsprong oplossen in een ‘kwantumbruis’, de onbepaaldheid van de kwantumwereld waarin alles vaag wordt. Op een zeker punt verandert tijd dan in een ruimtelijke dimensie. In deze elegante ‘geen-grenshypothese’ wordt vragen naar het begin net zo betekenisloos als vragen ‘wat ten zuiden van de zuidpool ligt’. Pas als het kwantumkarakter, na een stevige afkoeling, naar de achtergrond verdwijnt, krijgen gebeurtenissen een richting en ontstaat tijd. Het einde der tijden, zou je kunnen zeggen, ligt in het begin der dingen.

Exit Plato

Belangrijk voor de visie van Hawking en Hertog is dat het mechanisme van de evolutieleer, dat het heelal heeft gevormd, een ander karakter heeft dan de natuurwetten die fysici doorgaans onderzoeken. De conventionele natuurkunde bekijkt de wereld in wezen op een platonische wijze: de werkelijkheid is een afspiegeling van bovennatuurlijke wiskundige verbanden met een absoluut karakter. Hierop richt zich haar zoektocht, hierin ziet zij de verklarende essentie – met als risico, aldus Hawking, dat zij in de wiskunde verdwaald raakt. De natuurwetten zijn bovendien deterministisch: wanneer alle informatie over een begintoestand bekend is, laten ze de toekomst, die immers de wetten volgt, er vanzelf uit rollen. Maar natuurlijke variatie en selectie zijn juist niet voorspelbaar, de uitkomsten kunnen iedere keer totaal anders uitvallen. Laat de evolutionaire levensboom nogmaals groeien, en de kans dat er een aftakking ontstaat met de mensheid als loot is uitermate gering. Zo is het ook met ons universum. Dat had er volslagen anders uit kunnen zien.

Hiermee komen we bij de kernvraag van de zoektocht van Hawking en Hertog: hoe kan het zijn dat het heelal precies die eigenschappen heeft die leven mogelijk maakt? Er heeft zich immers een universum ontwikkeld met talloze planeten waarop leven mogelijk is – Hertog spreekt van een ‘biofiel’ universum. Was de massaverhouding tussen protonen en neutronen maar een tikje anders geweest, dan hadden zich geen atomen kunnen vormen. En bij vier ruimtelijke dimensies in plaats van drie evenmin, terwijl in twee dimensies geen complexe systemen als organismen tot stand kunnen komen. Een procentje meer of juist minder sterke kernkracht… geen koolstof. Het opmerkelijke is dat hoe meer we weten over het universum, hoe wonderlijker het wordt dat zich precies ons scenario heeft voltrokken. Hawkings laatste kunstje werd ingegeven door een veel bredere kijk dan die van zijn collega’s, die meenden dat de geheimen van ons bestaan zich ophielden in abstracte wiskundige formules.

Maar Hawking was niet de enige. Iemand die eveneens vond dat het biofiele karakter van het heelal om een verklaring smeekte, was Andrei Linde, een van de voormannen van het multiversum-idee. Dat gaat ervan uit dat ons universum slechts één heelalletje is in een enorme lappendeken van universums, die allemaal vanuit hun eigen oerknal specifieke natuurwetten ontwikkelden. Meestal zijn ze zo dood als een pier – ze bestaan bijvoorbeeld alleen uit zwarte gaten. Maar ergens moet dan ook dat ene lapje zijn, noem het een kosmische oase, waar de omstandigheden precies goed zijn. Linde en Hawking waren het erover eens dat een platonische zoektocht naar een reeks wiskundige waarheden geen antwoord zou geven op het raadsel van het biofiele heelal. Over heel veel andere dingen waren ze dat niet.

Hawkings bezwaar tegen het multiversum is dat dat zelf weer zou moeten voldoen aan metawetten, en het lukt vervolgens niet om vanuit deze metawetten aan te geven wat voor eigenschappen ons heelal dan zou moeten hebben. Hier ontbreekt iets, en om daar een draai aan te geven toveren kosmologen een filosofisch paardenmiddel tevoorschijn: het antropisch principe. Dit principe luidt losjes geformuleerd zo: wij zijn in staat om de eigenschappen van het heelal te bestuderen, omdat het heelal ons in staat stelt hier te zijn. Ze had dus niet anders kunnen zijn dan dat ze is, een verdere verklaring is onnodig.

Een probleempje: Stephen Hawking wilde er niet aan. De reden was dat het antropisch principe niet aan het proces van verificatie en falsificatie kan worden onderworpen – essentieel onderdeel van de wetenschappelijke methodiek. Daarnaast kleefde er een ander bezwaar aan het multiversum: Plato was weliswaar uit ons heelal gebonjourd, maar de metawetten betekenden niet dat hij uit de kosmologie was verdwenen; hij was alleen naar een verdieping hoger verhuisd om het multiversum te bestieren. Exit antropisch principe, exit multiversum. Maar wat dan wel?

Sprookjesbos met routeplanner

Hawking zoekt de oplossing in de kwantummechanica, het sprookjesbos van de moderne natuurkunde. In dit sprookjesbos legt de werkelijkheid meerdere paden tegelijk af, totdat we er een concretiseren met een waarneming. De kat van Schrödinger is volgens één pad levend, volgens het andere dood. Pas op het moment dat we de doos met de dode dan wel levende kat openen realiseert zich één van deze werkelijkheden, de andere verdwijnt uit onze beleving (in de taal der fysici: wordt ‘decoherent’).

Bij ‘waarneming’ moeten we hier niet per se denken aan een wetenschapper met een meetapparaat, maar aan iedere gebeurtenis die een baaierd aan de paden tot één uiteindelijk resultaat terugbrengt. Een ‘waarneming’ kan bijvoorbeeld een kristal zijn waarop een radioactief deeltje botst, waarmee juist dit pad dat dit deeltje heeft afgelegd wordt vastgelegd; uit de vele richtingen die het kon nemen, waarvan de meeste niet tot de botsing met het kristal leiden.

Vergelijk het met een routeplanner die door een file ergens onderweg, een wegafsluiting en een reeds door de automobilist genomen afslag (‘waarnemingen’) steeds meer routes als irrelevant terzijde schuift (decoherentie) en de mogelijkheden inperkt. Maar het saillante van het kwantummechanische waarnememerschap is dat deze ‘retroactief’, terug in de tijd, werkt – en de loop van de geschiedenis bepaalt. Van gewone causaliteit is zo geen sprake meer, het verleden is ‘op een subtiele, maar fundamentele manier afhankelijk van het heden’.

Hawkings kwantumkosmos hoeft op deze manier geen multiversum buiten de rand van het universum te veronderstellen, want alle opties zitten al vervat in ons eigen universum, in de talloze paden die de ontwikkeling van haar grondslagen bevatte op het moment dat ze nog in kwantumsferen verkeerde. Gebeurtenissen (‘waarnemingen’) later bepaalden welke van deze paden zich uitkristalliseerden. Hier toont zich de invloed van het heden. En dat heden, dat is het huidige heelal met al zijn karakteristieken, en dus ook zijn biofiele karakter, dat het pad naar zijn eigen bestaan als het ware uitselecteert. Dit is het verbluffende antwoord van Hawking en Hertog op hun grote kosmische existentievraag.

Humanistische kosmologie

De zoektocht van Hawking en Hertog ging de grenzen van de harde fysica te buiten, en strekte zich uit tot filosofische vragen van ontologische, epistemologische, wetenschapsfilosofische én existentiële aard. Wat construeert onze werkelijkheid en hoe probeert de wetenschap zich daarvan rekenschap te geven? Hoe verhoudt de mens zich tot de wetenschap, en deze beide tot de werkelijkheid? Hertog schrijft hoe de kwantumkosmologie de mens, die vanaf de wetenschappelijke revolutie steeds meer in de periferie van de schepping is gedrukt, weer terug in de wereld plaatst. Als waarnemer geeft hij mede vorm aan het universum dat hij probeert te begrijpen. Niet alleen in de diepte, maar ook in de breedte zijn de uitzichten die Het ontstaan van de tijd ons biedt adembenemend.

Wel had ik wat meer willen lezen over de samenwerking van de twee. In het begin kon Hawking, ondanks het door ALS getroffen lichaam, nog (tergend langzaam) zinnen componeren via een klikapparaat. Toen ook dat meer niet lukte, gebruikte Hawking een sensor op zijn bril die hij activeerde door een wang op te trekken. Het blijft echter onduidelijk hoe ze hun razendingewikkelde ideeën ontwikkelden en berekeningen uitvoerden, en hoeveel van het oorspronkelijke werk eigenlijk aan Hertog kan worden toegeschreven. Het is merkbaar dat Hertog een fysicus is en geen wetenschapsjournalist, didacticus of wetenschapshistoricus. Maar zijn proza is levendig, met vaak doeltreffende beeldspraak. De vergelijking van deeltjesparen die volgens de kwantummechanica kortstondig in het vacuüm verschijnen met dolfijnen die even uit het water opduiken, is bijvoorbeeld fraai. Al met al brengt Hertog het er als schrijver bewonderenswaardig vanaf.

Het ontstaan van de tijd is een boek van grote, briljante denkers. In de allereerste plaats natuurlijk Stephen Hawking en grootheden als de onontkoombare Albert Einstein en Richard Feynman, wonderkind en posterboy van de Amerikaanse natuurkunde. Daarnaast breekt Hertog een lans voor de minder bekende priester-astronoom (en mede-Belg) George Lemaitre, die zich als eerste realiseerde dat de roodverschuiving in kosmische waarnemingen wees op een uitdijend universum (de ontdekking wordt in de regel toegeschreven aan Edward Hubble). Lemaitre was ook de eerste die de consequenties hiervan onder ogen durfde te zien: als het heelal uitdijt, dan moet het ooit een begin hebben gehad. Lemaitre stelde zich een ‘oeratoom’ voor, en legde de grondslag voor de oerknalhypothese. Vermakelijk is het te zien hoe Lemaitre steeds een stap vooruit was op een tegensputterende Einstein, die het idee van een niet-statisch heelal maar moeilijk kon verkroppen. Lemaitre was qua denkkracht en durf een soort Hawking avant la lettre lijkt Hertog ons duidelijk te willen duidelijk maken (en als Belg een soort Hertog).

Inmiddels is het werk van Hawking en Hertog ingebed in de holografische kosmologie. Deze ziet het universum, inclusief deeltjes, straling, ruimte en tijd, als gecodeerd in een lagerdimensionale ‘rand’. Zoals een draaiorgel uit een ponskaart met gaatjes een muzikaal universum tevoorschijn tovert, zo realiseert zich het hele wezen van onze werkelijkheid vanuit daar opgeslagen kwantuminformatie. ‘Een visie’, aldus Hertog, ‘die maar een duimbreed verwijderd lijkt van het idee dat we in een simulatie leven.’

Ideeën voor het holografisch universum (een hologram is ook een informatielaag waaruit een 3D-beeld voortkomt, vandaar de benaming) vloeien ten dele voort uit het onderzoek naar zwarte gaten, de plaatsen waar, net als bij de oerknal, (extreme) omstandigheden heersen die inzicht kunnen bieden in de fundamenten van het universum. Vandaar ook dat Hawking zich behalve op de oerknal ook richtte op deze kosmische monsters, waar de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht er niet meer uit kan ontsnappen en waar de natuurwetten in de soep lopen (Hawking liet zien dat er toch een zekere straling – hawkingstraling – uit kan ontsnappen). Het volgende boek gaat over deze zelfs voor kosmische begrippen exotische fenomenen. Maar dan vanuit een heel ander wetenschappelijk bedrijf.

Zwart gat als vergrootglas

Licht in de duisternis, het relaas van de aan de Radboud Universiteit gevestigde fysische kosmoloog Heino Falcke, brengt ons terug op aarde. Het wat onthechte denkwerk maakt plaats voor een wereld van instrumenten, observaties, georganiseerde wetenschap en – onvermijdelijk – politiek. Van briljante individuen gaan we naar teamwork, zoals te zien in het artikel over de eerste foto van een zwart gat in 2019, het hoofdonderwerp van het boek, met maar liefst 348 coauteurs.

Het boek begint als een conventioneel werk over het heelal. Vanaf de aarde bezoeken we in opeenvolgende hoofdstukken de maan, de zon, de planeten, en zo verder tot aan de verste einders van het heelal. Tussendoor leren we van alles over de relativiteitstheorie, zwarte gaten, het ontstaan van chemische elementen en de oerknal. Daarnaast is Licht in de duisternis een persoonlijk getint verhaal van een Duits jongetje dat ademloos naar de maanlanding van Apollo 15 kijkt, terwijl zijn vriendjes buiten spelen, en dat zich ontwikkelt tot wetenschapper en geestelijk vader achter het kiekje van M87* (de naam van het zwarte gat), dat in 2019 wereldwijd alle voorpagina’s haalde. Chronologisch gezien liep dit project ongeveer gelijk op met de onderneming van Hawink en Hertog.

Het is die jacht op de eerste foto die het boek bijzonder maakt, maar ook in de meer algemene delen over de kosmos weet Falcke zaken op een originele wijze te belichten, daarbij geholpen door zijn coauteur, de wetenschapsjournalist Jörg Römer (ook hier is teamwork het devies). De reflecties over de fundamentele aard van het licht zijn bijzonder mooi. Meten en waarnemen gebeurt uiteindelijk altijd met licht(fotonen), en dit heeft grote gevolgen voor de werkelijkheid waarin we ons bevinden. In de relativiteitstheorie bepaalt de (begrensde) snelheid van het licht hoe we ruimte, tijd en massa ervaren. Nog ingrijpender is de rol van licht in de kwantumwereld, waar het waarnemen zelf de natuur mede vorm geeft. En waarnemen is uiteindelijk altijd gebaseerd op interacties met (licht)fotonen. Licht is de levensvonk die de werkelijkheid fixeert, kneedt en – inderdaad – in het licht plaatst: ‘Ruimte en tijd, materie en zintuigen: zonder licht zijn ze het uiteindelijk allemaal: het niets.’

Falcke deed zijn promotieonderzoek naar de maalstromen van licht en materie die om zwarte gaten wervelen. In die periode begon het te dagen dat onze eigen Melkweg een gigantisch zwart gat in zijn centrum moest herbergen. Steeds betere waarnemingen toonden wat dit zwarte gat (genaamd  Sag. A*) in het centrum van de Melkweg aanrichtte, maar ook dat was nog altijd  circumstantial evidence voor het bestaan ervan. Het liet Falcke niet meer los: ‘Daarom snakte ik naar zekerheid! Ik wilde zwarte gaten zien. Koste wat kost.’ Zien is geloven. Was het echt niet mogelijk om het monster zelf in de bek te kijken? Helaas toonden berekeningen dat zelfs een telescoop zo groot als de aarde niet zou volstaan om het zwarte gat in beeld te krijgen.

Tot Falcke op een druilerige middag in Bonn een ingeving kreeg die alles veranderde. De enorme zwaartekracht van een zwart gat vervormt de ruimte eromheen dusdanig dat deze als een soort vergrootglas werkt: zwarte gaten lijken groter dan ze werkelijk zijn (Sag. A* lijkt 2,5 groter), en na wat rekenwerk bleek dat dit zwarte gat bij bepaalde golflengten (net) te vatten moest zijn, mits radiotelescopen verspreid over verschillende continenten als één grote, wereldomspannende telescoop werden gekoppeld.

Jacht op een mosterdzaadje

Twintig moeizame jaren kostte het om enthousiasme te genereren, samenwerkingen te smeden, geld te vinden, de organisatie uit te denken, soft- en hardware te ontwikkelen, proef te draaien en de telescopen te integreren. Naast Falcke werd de Amerikaan Shep Doeleman boegbeeld van de Event Horizon Telescope (EHT), zoals het project ging heten (Doeleman werd directeur, Falcke hoofd van de science council). Uiteindelijk waren er dertien institutionele partners bij EHT betrokken: vier uit Europa, vier uit de VS, drie in Azië, een uit Mexico en een uit Canada. ‘Coordinating eight telescopes and dozens of academics is about as easy as taking an elementary school class of spoiled, neurotic city kids through a candy store during Lent’, verzucht Falcke, die ogenschijnlijk niet het achterste van zijn tong laat zien over de spanningen en conflicten die zich moeten hebben voorgedaan.

Op 5 april 2017 was het dan zover, en richtten acht radiotelescopen tegelijkertijd hun schotel op M87*, een piepklein korreltje in het sterrenbeeld Maagd (een kwart van een mosterdzaadje, schrijft Falcke beeldend over de schijnbare grootte van dit zwarte gat). M87* staat weliswaar duizend keer verder weg dan Sag. A*, maar is ook duizend keer zo groot, en krijgt de prioriteit omdat hij beter scherp te krijgen is. Daarnaast worden telescopen die andere gebieden van het elektromagnetische spectrum waarnemen ook gericht op M87* (waarbij Sera Markoff, gevestigd aan de Universiteit van Amsterdam, een prominente rol speelde).

Hier begint het meest enerverende deel van het boek. Dag na dag beschrijft Falcke de week waarin eerst M87* en vervolgens ook Sag. A* worden vastgelegd. De druk is immens, alle telescopen moeten met uiterste precisie data verzamelen. Techniek of mens – niets mag falen, en dan moeten ook de weergoden de acht telescopen goedgezind blijven. Na een aantal doorwaakte nachten constateren de afgematte astronomen dat de opnames succesvol lijken te zijn verlopen. Lijken, want het duurt nog negen maanden voordat de enorme databerg – heel veel ruis en een ietsiepietsie zwart gat – is geanalyseerd. En dan moeten er algoritmes en, uiteindelijk, menselijke oordelen aan te pas komen om van signaal naar een plausibel beeld te komen; het beeld dat uiteindelijk op 10 april 2019 wereldkundig wordt gemaakt (van M87*, de onthulling van Sag. A* volgt later).

Met de presentatie van de foto’s lijkt voor Falcke het hoofddoel te zijn bereikt: bewijs geleverd, missie geslaagd. Over hoe de onderneming ons dichter brengt bij de raadselen van het bestaan, waarop Hawking en Hertog zich zo maniakaal stortten, lezen we echter maar weinig. Wat is nu de strikt wetenschappelijke waarde van EHT? Nog interessanter is de vraag waar we nu eigenlijk naar kijken. Strikt genomen staren we in het niets: zwart is de afwezigheid van licht en we ‘zien’ het zwarte gat door de contouren die de ring van licht eromheen uittekent. De evidence blijft circumstantial, zou de scepticus kunnen beweren.

En dan nog: van een rechttoe rechtaan foto is geen sprake, eerder van een geconstrueerd beeld, gegenereerd met technische handelingen en hulpmiddelen; en door menselijk ingrijpen. Het arbitraire karakter hiervan wordt al duidelijk aan de hand van de kleur. De oranje-rode tinten zijn geen natuurlijke kleuren, maar een keuze van de onderzoekers: het had net zo goed roze of groen kunnen zijn. Wat voegt de foto op de keper beschouwd toe aan de stapel bewijzen die we al hadden?

Hoe zien we de werkelijkheid? Hoe bepaalt ons zien de werkelijkheid? Welke werkelijkheid zien we? Het zijn kentheoretische vragen die alsmaar pregnanter worden als we de grenzen van het universum verkennen.

Evenmin als Hertog meent Falcke dat ons bestaan slechts het gevolg kan zijn van blinde natuurkrachten. Waar Hertogs humanistische kosmologie de mens weer een plaats in de schepping geeft, doet Falcke dat met God. Ook hij wijst op de biofiele toevalstreffer die ons heelal is. Op het gebied van zingeving schiet het materialistische wereldbeeld daarnaast schromelijk tekort. En waarom zou er geen God bestaan? Als de oerknal, materiedeeltjes en enkele natuurwetten al voldoende zijn om ons – denkende, voelende en handelende substanties – voort te brengen, waarom dan geen God ‘met een persoonlijkheid met geest, zin en verstand?’ Is dat een absurder idee dan het bizarre heelal waarmee de kosmologen ons opzadelen?

Als het universum een draaiorgel is, wie en wat bedient dan het wiel? En wie of wat maakt de bladmuziek? Uiteindelijk komt het toch altijd weer op deze vragen aan.