Naar de content

'We leven in een multiversum, dat is de beste theorie die we hebben'

Kosmoloog Andrei Linde over de oerknal, inflatie en het multiversum

Wikimedia Commons, NASA via publiek domein

Kosmoloog Andrei Linde is zeker van zijn zaak: we leven in een multiversum, een aaneenschakeling van ontelbare universa met allemaal andere natuurwetten. NEMO Kennislink voelt de bekende wetenschapper, die als gastdocent tijdelijk in Leiden woont, aan de tand over de allereerste momenten na de oerknal. “Niemand kan de theorie van het multiversum ontkrachten.”

Als astronomen het universum in turen, zien ze dat dat verrassend ‘gladgestreken’ is. Zeker, er zijn op de allergrootste schaal regio’s met veel en weinig sterrenstelsels, maar het overkoepelende plaatje is er overduidelijk een van een heelal dat in alle richtingen hetzelfde is. Dat geldt ook voor de temperatuur van het universum: de zogenoemde kosmische achtergrondstraling (de ‘nagloed’ van de oerknal) laat slechts variaties van een duizendste van een graad zien, zelfs tussen de verst van elkaar gelegen gebieden.

Het Andromeda-sterrenstelsel.

Onze ‘kosmische buur’, het Andromeda-sterrenstelsel, op een afstand van ongeveer 2,5 miljoen lichtjaar.

 Adam Evans via CC BY 2.0

Jarenlang vroegen astronomen zich af hoe dit mogelijk was. Hoe konden delen van het universum die volgens de gangbare oerknaltheorie nooit met elkaar in aanraking waren geweest zo precies op elkaar afgestemd zijn? Het vermoeden rees dat er een mechanisme aan het werk was dat ervoor zorgde dat deze delen wel degelijk ooit bij elkaar in de buurt zaten en informatie over bijvoorbeeld de temperatuur konden uitwisselen.

De oplossing kwam in de jaren 80 onder andere uit de hoed van de van oorsprong Russische kosmoloog Andrei Linde. Voortbouwend op een theorie van Alan Guth ontwikkelde hij de inflatietheorie die stelt dat het universum vlak na de oerknal een periode van extreem snelle uitdijing onderging (zie kader Het universum opblazen).

Linde is klein van stuk en praat met een dik Russisch accent, dat hij in de Verenigde Staten – waar hij sinds 1990 woont en werkt aan de Stanford-universiteit – niet is kwijtgeraakt. Hij is bijna zeventig, maar het pensioen is niet in zicht. Deze zomer noemt hij rustig, maar hij heeft veel internationale activiteiten, die hij in veel gevallen samen met zijn vrouw Renata Kallosh bezoekt, die óók een vooraanstaand kosmoloog aan de Stanford-universiteit is. Vanwege een workshop is Leiden deze periode de uitvalsbasis. NEMO Kennislink grijpt de kans om Linde te overhoren over de hobbelige weg die de theorie over het ontstaan van het universum volgde. Een universum dat volgens hem niet eens een universum is.

Het universum opblazen

De inflatietheorie is een aanvulling op de oerknaltheorie. Die laatste stelt dat het universum 13,8 miljard jaar geleden ontstond uit een oneindig klein en zwaar punt. Daarvoor was er nog geen materie, geen straling en zelfs geen natuurwetten die nu het heelal bestieren.

Vanaf dat moment dijt het universum uit. Maar volgens de inflatietheorie onderging het heelal binnen de eerste seconde een extra groeistuip, gedreven door een speciale staat van energie waarin het zich bevond. Inflatie blies de ruimte op met meer dan een factor 1025 in een periode van minder dan 10-30 seconden.

Sinds de ontwikkeling van de inflatietheorie, begin jaren 80, heeft het veel aanhangers. Het levert namelijk een verklaring voor verschillende problemen in de kosmologie. Ten eerste het feit dat het universum op alle plekken min of meer dezelfde structuur lijkt te hebben (het horizonprobleem). Een enorme uitdijing net na de oerknal zorgt er namelijk automatisch voor dat eventuele onregelmatigheden uit het zeer jonge universum werden gladgestreken. Ook verklaart de theorie het feit dat de ruimte precies genoeg materie lijkt te hebben om geen enkele kromming te hebben (het valkheids- of platheidsprobleem). Een enorme uitdijing strijkt kromming van de ruimte vanzelf plat.

Het lot van inflatie als verklarende theorie is nog niet bezegeld. Van de theorie bestaan een groot aantal varianten die verschillende voorspellingen doen. Door precieze waarnemingen aan onder andere de kosmische achtergrondstraling moet duidelijk worden welke theorie de juiste is. Er zijn overigens ook wetenschappers die zich tegen het idee van een multiversum verzetten, maar volgens Linde moeten er wel meerdere universa bestaan.

Een ‘tijdlijn’ van de oerknal.

U verbeterde de inflatietheorie van Alan Guth. Door de jaren is er behoorlijk gesleuteld aan die theorie. Waarom?

“Guth was de eerste die in 1980 inzag dat een supersnelle expansie van het universum net na de oerknal het horizon- en vlakheidsprobleem (zie kader Het universum opblazen) oploste. Maar die expansie leverde accuut weer nieuwe problemen op voor het moment dat de inflatie stopt en er een normaal uitdijend heelal ontstaat. Zijn theorie produceerde een universum met grote onregelmatigheden, terwijl we zien dat het extreem gladgestreken is.

Een jaar later kwam ik met een oplossing, de zogenoemde ‘nieuwe inflatie’. Door het inflatietijdperk niet plotseling maar geleidelijk te eindigen, blijft het universum op alle plekken veel gelijkmatiger. Maar ook die theorie ging weer op de schop. In plaats van een kortdurende periode die volledig wordt afgesloten, kan inflatie volgens de huidige versies van de theorie gewoon doorgaan, tot de dag van vandaag. Deze zogenoemde chaotische inflatie voorspelt dat er regio’s ontstaan die ‘normaal uitdijen’. Een van die regio’s is ons universum, maar er zijn er veel meer. Samen vormen ze het multiversum.”

Is de inflatietheorie inmiddels al in kannen en kruiken?

“Er zijn veel verschillende versies van de inflatietheorie, waarvan er ook al veel gesneuveld zijn. De eerste versie van Alan Guth was eigenlijk al dood op het moment dat het geboren was. Nieuwe inflatie overleefde slechts een jaar en ook veel versies van de theorie die daarna werden bedacht gingen die prullenbak in door observaties van onder andere de Planck-satelliet. Dat gebeurde ook met de simpelste versie van chaotische inflatie, die zwaartekrachtsgolven had moeten produceren die niet werden gezien.

Gelukkig zijn er nog veel versies van de inflatietheorie die de eigenschappen van onder andere de komische achtergrondstraling precies voorspellen. Ik denk dat we nu de belangrijkste eigenschappen van inflatie begrijpen, maar dat de theorie op details nog zal veranderen. Dat hangt overigens ook samen met hoe de theorieën in de deeltjesfysica zich ontwikkelen.”

Heeft u ooit getwijfeld of inflatie – in welke vorm dan ook – überhaupt heeft plaatsgevonden?

“Toen Guth de eerste versie voorstelde, zei hij zelf al dat de theorie niet goed werkte. Toen ik de theorie verbeterde in 1981 begon ik te geloven dat het zou kunnen werken, maar had ik nog steeds twijfels. Vanaf de uitvinding van chaotische inflatie een paar jaar later had ik het volste vertrouwen in de theorie. Het idee is eigenlijk zo simpel, en het lost problemen op die we momenteel niet op een andere manier kunnen oplossen.

Alan Guth werd eerder al geïnterviewd door NEMO Kennislink. Klik hier om het te lezen.

 Arnout Jaspers

Het feit dat de kosmische achtergrondstraling overal vrijwel gelijk is, de vorm van kleine verstoringen die daarin zitten, dat het universum vrijwel plat is: inflatie lost dat allemaal op. Ook biedt het een verklaring voor hoe sterrenstelsels zoals onze Melkweg hun oorsprong vinden in quantumfluctuaties in het zeer jonge universum. Die fluctuaties konden ervoor zorgen dat er op sommige plekken meer materie is dan op andere plekken.

Natuurlijk zoeken we nog steeds naar meer bewijs voor de inflatietheorie. Waarnemingen waarmee we bepaalde versies van de inflatietheorie kunnen bevestigen of juist ontkrachten. Welke vorm van inflatie overblijft is een goede vraag; ik ben blij met elke theorie.”

Een kaart van de kosmische achtergrondstraling gemeten door de Planck-satelliet. De kaart laat iets warmere gebieden (in rood) zien tussen gebieden waar de temperatuur lager is (blauw). Het wordt ook wel de babyfoto van het universum genoemd omdat deze straling werd uitgezonden op het moment dat het heelal doorzichtig werd, ongeveer 380 duizend jaar na de oerknal.

 ESA

Een van die mogelijk directe bewijzen, sneuvelde jammerlijk in 2014. Toen dachten wetenschappers dat ze sporen van zwaartekrachtgolven in de kosmische achtergrondstraling hadden gevonden. Later bleek dat niet te kloppen. Hoe kijkt u terug op die gebeurtenis?

“Er werden patronen in de kosmische achtergrondstraling gevonden, en als deze er daadwerkelijk waren geweest, was dit het meest directe bewijs voor inflatie tot nu toe. Na een half jaar kwamen nieuwe resultaten van de Planck-satelliet die helaas bevestigden wat het team inmiddels al vreesde: het signaal was niet afkomstig van inflatie, maar van stofwolken in onze eigen Melkweg.

Dat was treurig. Zeker omdat de wetenschappers hun conclusies trokken op basis van de beste data die toen beschikbaar waren. Toch denk ik dat ze voorzichtiger hadden moeten zijn in hun aankondiging en moeten aangeven dat de resultaten niet zeker waren. Maar dat soort fouten kan gebeuren. Ik ben afgelopen week gaan fietsen in Leiden, en ben hard gevallen waardoor ik nu mank loop. Ik had ook iets voorzichtiger moeten zijn.

Wat ik jammer vind, is dat mensen dachten dat uiteindelijk het enige bewijs voor inflatie onderuit was gehaald. Maar we hebben nog steeds een hele lijst aan waarnemingen die alleen maar met inflatie verklaard kunnen worden.”

Andrei Linde krijgt in maart 2014 thuis het goede nieuws dat zijn inflatietheorie lijkt bevestigd. Dat bleek later niet te kloppen.

U bent stellig: we leven in een multiversum. Maar hoe kunnen we dit ooit bewijzen?

“Je kunt niet zien of we in een uni- of multiversum leven. We weten dat inflatie het heelal heeft opgeblazen tot iets veel groters dan wat we kunnen zien. Ik zou de vraag daarom graag omdraaien, kun je bewijzen dat we in een úniversum leven?

Impressie van een multiversum, een oneindig landschap van meerdere mogelijke universa.

 Silver Spoon via CC0 1.0

Een multiversum volgt min of meer uit de inflatietheorie en zeker uit de snaartheorie. Die laatste theorie sluit steeds beter aan op de inflatietheorie, door het werk van mijn vrouw Renata en andere theoretische natuurkundigen. Dit zijn respectievelijk de beste kosmologische en natuurkundige theorieën van het moment en leveren details over hoe een multiversum met verschillende universa kan bestaan. Ieder universum is uitgerust met een eigen set van natuurwetten.

Sommige mensen zeggen dat we het idee van een multiversum nooit kunnen testen met waarnemingen. Daar ben ik het niet mee eens. De theorieën die erbij horen zijn momenteel de enige die de fysische eigenschappen van ons universum kunnen verklaren. Als mensen tegen me zeggen dat er geen bewijs is voor een multiversum en ik vraag ze naar een betere verklaring dan wordt het vaak stil… Ik zeg niet dat we zonder meer moeten accepteren dat dit de definitieve theorie is. Maar het is het beste wat we hebben, tot die tijd moeten we het serieus nemen.”

ReactiesReageer