‘Het heelal is niet voor ons gemaakt’

‘Het heelal is niet voor ons gemaakt’

De wereld zoals wij die ervaren is een illusie, beweert Lawrence Krauss. De moderne wetenschap heeft goed zicht gekregen op de dieper liggende werkelijkheid. En dat brengt de waarom-vraag dichterbij dan ooit.

Dat is nu jammer. Lawrence Krauss heeft zojuist de Nederlandse editie van zijn jongste boek gekregen. Hij is er heel content mee, totdat hij gewezen wordt op de titel. ‘Het grootste project van de mens’ heette in de originele versie ‘The greatest story ever told – so far’. “Waarom hebben ze nou het belangrijkste deel weggelaten?”, moppert hij. “Het verhaal is natuurlijk nog lang niet af.”

Niet dat ‘Het beste verhaal tot dusver’ dat nu voor hem op tafel ligt, gemakkelijk te behappen is. Het is omvangrijk, moeilijk, abstract. “Wie heeft gezegd dat dit een gemakkelijk verhaal zou zijn?”, vertelt hij in de eetzaal van een Amsterdams hotel. “Dit gaat over de grootste zoektocht van de mens. Een tocht die in totaal vierhonderd jaar heeft geduurd. Een tocht van dwaalwegen en doodlopende sporen. Dat is geen gemakkelijke weg geweest. Van een cantate van Bach verwacht je toch ook niet dat hij gemakkelijk is?”

Hij beseft dat de materie veel lezers boven de pet gaat. Zijn uitgever had liever een korte versie gezien, maar hij wilde het hele verhaal vertellen. “Ik wilde dat de lezer zelf kan zien hoe ver de natuurkunde is gevorderd. Hoe ons begrip van de structuur van het heelal de laatste decennia is gegroeid. En dan hoop ik dat de boodschap overkomt. Het heelal is niet voor ons geschapen. Dat het heelal geworden is zoals het is, en dat wij daarin kunnen bestaan, is een gelukkig toeval. Die vraag – ‘Waarom zijn wij hier’ – was gekaapt door de theologen, maar we hebben hem teruggepakt. Nu we het ‘hoe’ beter dan ooit doorgronden, krijgen we scherper zicht op het ‘waarom’.”

Krauss schopt graag tegen heilige huisjes. Hij was afgelopen weekend in Amsterdam om samen met zijn kompaan, de evolutiebioloog Richard Dawkins, de verworvenheden van de wetenschap te bezingen en te strijden tegen waanbeelden.

Pesterig

Niet geheel toevallig heeft hij de drie delen van zijn boek bijbelse titels gegeven: Genesis, Exodus en Openbaring. Heel toepasselijk, vindt hij zelf. Het boek begint met de opkomst van de moderne natuurkunde, met de ontwikkeling van de quantum- en de relativiteitstheorie aan het begin van de vorige eeuw. Daarna maakte de fysica een soort tocht door de woestijn door: ze moest oude zekerheden loslaten en wist nog niet wat er eventueel voor zou terugkomen. Totdat de nieuwe theorie, het zogeheten standaardmodel, vorm kreeg.

De eerste zinnen zijn pesterig: ‘In het begin was er licht. Maar meer nog was er zwaartekracht. En vervolgens brak de hel los…’ Krauss: “Ik wilde de vergelijking met de Bijbel maken omdat het Bijbelse verhaal ooit is verfilmd onder de titel ‘The greatest story ever told’. Dan wist ik wel een beter verhaal. Ik steek er de draak niet mee. De Bijbel staat vol goede citaten, het is prachtige literatuur. Maar het verband met de werkelijkheid? Come on. Het boek is meer dan tweeduizend jaar oud. Ik noem het weleens ‘A Shepherd’s Guide to the Universe’.”

Niet dat hij oude wijsheden versmaadt. Met graagte haalt hij Plato aan en diens allegorie van de grot. In die onderaardse ruimte zitten mensen hun hele leven vastgeketend. Op de wand vóór hen zien ze de schaduwen van voorwerpen die achter hun rug langs een vuur bewegen. “Wij leven echt in een grot, wij denken dat wat wij waarnemen de werkelijkheid is. Maar net als de filosofen van Plato, zijn het nu de fysici die naar buiten zijn gegaan en de diepere werkelijkheid hebben waargenomen. Dat verhaal wilde ik vertellen.”

En dan komt dit boek met de boodschap dat ons bestaan een gelukkig toeval is. Dat lijkt een onbevredigend antwoord.

“Dat is de mens eigen, of misschien is het wel een menselijke tekortkoming, om overal een verklaring achter te zoeken. Alles moet betekenis hebben. Heeft u zich weleens afgevraagd hoe wonderbaarlijk het is dat uw benen exact de goede lengte hebben? Ze reiken precies tot de grond. Dat kan geen toeval zijn!

“Het lijkt misschien een stom voorbeeld, maar hier beseffen we dat we de verkeerde vraag stellen. Het heelal is er niet voor ons, het kan heel goed zonder ons. Het grootste deel van het heelal is mensvijandig. Het was acht miljard jaar geleden ook niet geschikt voor ons. Nu wel. Door een gelukkig toeval van gebroken symmetrieën. Geniet ervan.”

Lawrence Maxwell Krauss (New York, 1954) is een Amerikaans-Canadese natuurkundige en kosmoloog, en als hoogleraar verbonden aan de universiteit van Arizona. Hij is bekend als schrijver van populair-wetenschappelijke boeken (‘The Physics of Star Trek’, ‘Universum uit het niets.’)

Lawrence Krauss.
Het grootste project van de mens.
Nieuw Amsterdam.
415 pag.
€ 24,99

© Jean-Pierre Jans

Symmetrie: centraal begrip in de moderne natuurkunde

Je ziet het niet vaak meer met de zachte winters van tegenwoordig en de vensters met dubbel glas, maar in vroeger tijden gaf het slaapkamerraam na een vrieskoude nacht een wonderschone aanblik. IJsbloemen vormden grillige patronen, maar keek je in detail, dan zag je juist een opmerkelijke regelmaat van dunne ijslijntjes.

Stel nu, schrijft Lawrence Krauss in zijn nieuwste boek, dat zo’n ijsnaald wordt bewoond door piepkleine wezentjes. Hoe zouden de miniatuur-wetenschappers in die wereld hun heelal zien? Vermoedelijk kennen ze aan de richting van de naald een speciale betekenis toe, hun omgeving is immers rond die as georiënteerd.

Misschien weet een van de natuurwetenschappers deze ijswereld te ontstijgen en ziet hij of zij dat die voorkeursrichting niet voor de hele ruit geldt. Dat de speciale structuur van zijn thuisland een toevalligheid is. Toen het condensvocht op de ruit bevroor, hadden de ijsbloemen nog alle vormen kunnen krijgen. Maar nadat de lage temperatuur de eerste watermoleculen op een bepaalde manier aan elkaar heeft geklonken, is de rest gedwongen het gekozen patroon voort te zetten. De wetenschapper ziet dat elders op de ruit andere bloemen zijn ontstaan.

Wiskundige schoonheid

Dit is wat in de natuurkunde gebroken symmetrie wordt genoemd. In ‘Het grootste project van de mens’ legt Krauss uit hoe belangrijk dit begrip is voor de moderne fysica. Alle grote doorbraken sinds het midden van de vorige eeuw zijn hierop terug te voeren. Met name tussen 1950 en 1975 hebben natuurkundigen geleerd dat de wereld zoals gewone stervelingen die ervaren, een illusie is. “Daaronder gaat een werkelijkheid schuil die vaak nog veel vreemder is, maar wel van een onberispelijke wiskundige schoonheid.”

En van een nagenoeg onbegrijpelijke abstractie. Krauss moet zich in allerlei bochten wringen en van talloze beeldspraken bedienen om zijn verhaal duidelijk te maken. Het is zeer de vraag of veel lezers hem daarin kunnen volgen.

Fysici beschrijven de wereld niet meer in termen van krachten, massa’s of ladingen, in de moderne natuurkunde heeft het begrip symmetrie een centrale plaats gekregen. Een bol is volmaakt symmetrisch. Van welke kant je een bol ook bekijkt, hij ziet er altijd hetzelfde uit. Natuurkundigen passen het begrip ook toe op hun wetten. Als een natuurkundige wet symmetrisch is in de tijd – dat wil zeggen: de wet verandert niet, op welk moment je hem ook bekijkt – dan is er iets behouden. De hoeveelheid energie bijvoorbeeld. Zo’n behoudsregel biedt weer zicht op nieuwe wetmatigheden.

Soms wordt de symmetrie gebroken, zoals bij de ijskristallen. Krauss noemt in zijn boek ook het voorbeeld van een ronde, gedekte tafel. Er staan acht borden klaar, en naast elk bord staat een wijnglas. Het is een volmaakt symmetrische opstelling, alleen is niet duidelijk bij welk bord ieder glas hoort. Totdat de eerste gast plaatsneemt en een glas aan zijn mond zet. Zijn keuze legt de tafelschikking definitief vast, maar breekt de symmetrie.

Die breuk zal de gasten een zorg zijn, maar voor fysici is een gebroken symmetrie vaak een uitkomst. Het is het rafelrandje waarmee ze de verborgen werkelijkheid kunnen onthullen. Krachten kunnen verschillend ogen maar dat is alleen omdat ooit de symmetrie gebroken is. Bij een faseovergang bijvoorbeeld, zoals het bevriezen van het condensvocht tot ijsbloemen. Of bij het plaatsnemen van de eerste gast. Zo ook ging het heelal door een faseovergang en kregen krachten een ander aanzien. Maar in feite bleven ze uitingen van hetzelfde.

Daar hoort nog een ander soort symmetrie bij, die de naam ijksymmetrie heeft gekregen. Om dat abstracte begrip uit te leggen neemt Krauss zijn toevlucht tot een schaakbord, vanwege het patroon van zwarte en witte velden. Als je zwart verandert door wit en andersom, verandert er niets aan het spel. Maar wat gebeurt er als je dat willekeurig doet? Dan liggen er soms twee zwarte velden naast elkaar en lijkt schaken onmogelijk. “Tenzij je een gids hebt die vertelt hoe de schaakstukken moeten worden gezet. Wat een loper of een paard moeten doen wanneer ze twee velden tegenkomen waarvan het ene wel van kleur is veranderd, maar het andere niet.”

Hier ligt een parallel met het elektromagnetisme. Een elektrische lading is positief of negatief. Die keuze is meer een taalkwestie, fysisch gezien zou je het teken van die ladingen kunnen omdraaien. Net als met de zwart-witte velden van het schaakbord verandert zo’n omkering niets aan het fenomeen van de elektrische krachten.

Maar stel dat je plus en min lokaal wisselt. Dus hier is het elektron negatief en zijn tegenpool positief, maar elders is het net andersom. Het mooie is: dat kan als we een gids hebben die voor elk punt in de ruimte beschrijft wat de gevolgen zijn van die keuze. “Zo’n gids noemen we in de fysica een veld. In dit geval is dat dus het elektromagnetische veld. Dat veld leert ons wanneer zo’n wisseling betekenisloos is en wanneer niet. Dan is het een kracht.”

Het elektromagnetisme is het bekendste voorbeeld van een ijksymmetrie. Het is een subtiel en moeilijk begrip. Krauss erkent dat zelfs de meeste natuurkundigen het niet helemaal in de vingers hebben. Daar hoorde hij zelf ook bij. Pas bij het schrijven van dit boek – toen hij de betekenis van de ijksymmetrie onder woorden moest brengen en moest uitleggen aan een breder publiek – zag hij de complete reikwijdte ervan in.

Want ook het zwaartekrachtveld uit de algemene relativiteitstheorie heeft deze ijksymmetrie. Net als het Higgsveld, waarvan het bestaan een halve eeuw geleden werd geopperd, en dat in 2012 definitief op de kaart kwam toen het Higgsdeeltje werd ontdekt.

Kernkrachten

Het beeld dat de natuurkunde heeft van de werkelijkheid is heel anders dan dat van gewone mensen, zo schetst Krauss. Het beeld dat gewone mensen hebben is een illusie. Voor de meesten is elektriciteit iets anders dan magnetisme, maar de Schot James Maxwell liet al anderhalve eeuw geleden zien dat het uitingen van hetzelfde fenomeen zijn.

De fysica van na 1950 deed hetzelfde met de kernkrachten: ook een vorm van elektromagnetisme. Dat wil zeggen, in een diepere werkelijkheid hebben ze dezelfde symmetrie. Krauss: “Maar het Higgsveld heeft die symmetrie gebroken, waardoor de krachten ons verschillend lijken. Preciezer: na de oerknal vulde het Higgsveld de ruimte waarna het condenseerde in zijn huidige toestand. Door die condensatie kregen alle deeltjes hun massa en werd de symmetrie van elektromagnetisme en kernkrachten gebroken.”

Dat muisje heeft een staart. Toen het Higgsdeeltje werd ontdekt, bleek dat het Higgsveld zeer instabiel is. Het ligt op de rand van een richel, schrijft Krauss. Er hoeft maar iets te gebeuren en het veld smelt weer, waardoor alle materie zijn massa verliest en er alleen straling overblijft. Dat is niet iets van vandaag of morgen, eerder van miljarden maal miljarden jaren, maar toch. In een flits – nou ja, met de snelheid van het licht – zou alles verdwenen zijn: sterren, planeten, mensen.

Krauss wijdt er nog één metafoor aan. Hij vergelijkt de mensheid met de wezens in een ijsbloem. Net op het moment dat ze beginnen te ontdekken dat de werkelijkheid anders is dan ze waarnemen, komt de zon op.

Bron: trouw.nl