Het antwoord op de eeuwige vraag wat het kleinste ding in het heelal is, is samen met de mensheid geëvolueerd. Ooit dacht men dat zandkorrels de bouwstenen waren van wat we om ons heen zien. Toen werd het atoom ontdekt, en men dacht dat het ondeelbaar was, totdat het werd gesplitst om protonen, neutronen en elektronen binnenin te onthullen. Ook dit leken fundamentele deeltjes, voordat wetenschappers ontdekten dat protonen en neutronen elk uit drie quarks bestaan.

“Deze keer hebben we geen enkel bewijs kunnen zien dat er iets in quarks zit,” zei natuurkundige Andy Parker. “Hebben we de meest fundamentele laag van materie bereikt?”

En zelfs als quarks en elektronen ondeelbaar zijn, zei Parker, weten wetenschappers niet of ze de kleinste stukjes materie zijn die er bestaan, of dat het universum objecten bevat die nog minuscule zijn.

Parker, een professor in de hoge-energiefysica aan de Engelse Cambridge University, was onlangs gastheer van een televisiespecial op het Britse BBC Two kanaal genaamd “Horizon: How Small is the Universe?”

Strings of punten?

In experimenten lijken piepkleine deeltjes zoals quarks en elektronen zich te gedragen als afzonderlijke punten van materie zonder ruimtelijke verdeling. Maar puntvormige objecten compliceren de wetten van de fysica. Omdat je oneindig dicht bij een punt kunt komen, kunnen de krachten die erop werken oneindig groot worden, en wetenschappers hebben een hekel aan oneindigheden.

Een idee dat superstringtheorie heet, zou dit probleem kunnen oplossen. De theorie stelt dat alle deeltjes, in plaats van puntvormig te zijn, eigenlijk kleine lussen van koorden zijn. Niets kan oneindig dicht bij een lus van een snaar komen, omdat het altijd iets dichter bij het ene deel zal zijn dan bij het andere. Deze “maas in de wet” lijkt een aantal van deze oneindigheidsproblemen op te lossen, waardoor het idee aantrekkelijk wordt voor natuurkundigen. Toch hebben wetenschappers nog steeds geen experimenteel bewijs dat de snaartheorie correct is.

Een andere manier om het puntenprobleem op te lossen is door te zeggen dat de ruimte zelf niet continu en glad is, maar eigenlijk bestaat uit discrete pixels, of korrels, soms aangeduid als ruimte-tijd schuim. In dat geval zouden twee deeltjes niet oneindig dicht bij elkaar kunnen komen, omdat ze altijd gescheiden moeten worden door de minimale grootte van een ruimtekorrel.

Een singulariteit

Een andere kanshebber voor de titel van kleinste ding in het heelal is de singulariteit in het centrum van een zwart gat. Zwarte gaten worden gevormd wanneer materie wordt gecondenseerd in een ruimte die zo klein is dat de zwaartekracht het overneemt, waardoor de materie naar binnen en naar binnen wordt getrokken en uiteindelijk condenseert tot een enkel punt van oneindige dichtheid. Tenminste, volgens de huidige wetten van de fysica.

Maar de meeste deskundigen denken niet dat zwarte gaten werkelijk oneindig dicht zijn. Zij denken dat deze oneindigheid het product is van een inherent conflict tussen twee heersende theorieën – algemene relativiteit en kwantummechanica – en dat wanneer een theorie van kwantumzwaartekracht kan worden geformuleerd, de ware aard van zwarte gaten zal worden onthuld.

“Mijn gok is dat ze een heel stuk kleiner zijn dan een quark, maar ik geloof niet dat ze een oneindige dichtheid hebben,” vertelde Parker aan LiveScience. “Hoogstwaarschijnlijk zijn ze misschien een miljoen keer of zelfs meer dan dat kleiner dan de afstanden die we tot nu toe hebben gezien.”

Dat zou singulariteiten ruwweg de grootte van superstrings maken, als ze bestaan.

De Planck-lengte

Superstrings, singulariteiten en zelfs korrels van het universum zouden allemaal ongeveer de grootte van de “Planck-lengte” kunnen blijken te zijn.

Een Planck-lengte is 1,6 x 10^-35 meter (het getal 16 voorafgegaan door 34 nullen en een decimaalpunt) – een onbegrijpelijk kleine schaal die betrokken is bij verschillende aspecten van de fysica.

De Planck-lengte is veel en veel te klein voor elk instrument om te meten, maar daarbuiten wordt gedacht dat het de theoretische limiet van de kortste meetbare lengte vertegenwoordigt. Volgens het onzekerheidsprincipe zou geen enkel instrument ooit in staat moeten zijn om iets kleiners te meten, omdat op dat bereik het universum probabilistisch en onbepaald is.

Deze schaal wordt ook verondersteld de scheidslijn te zijn tussen algemene relativiteit en kwantummechanica.

“Het komt overeen met de afstand waarop het zwaartekrachtsveld zo sterk is dat het dingen kan gaan doen zoals zwarte gaten maken uit de energie van het veld,” zei Parker. “Bij de Planck-lengte verwachten we dat de kwantumzwaartekracht het overneemt.”

Misschien zijn alle kleinste dingen van het universum ongeveer zo groot als de Planck-lengte.

Volg Clara Moskowitz op Twitter @ClaraMoskowitz of LiveScience @livescience. We zijn ook op Facebook & Google+.