Filosofen debatteren al duizenden jaren over de aard van “niets”, maar wat heeft de moderne wetenschap hierover te zeggen? In een interview met The Conversation legt Martin Rees, koninklijk astronoom en emeritus hoogleraar kosmologie en astrofysica aan de universiteit van Cambridge, uit dat natuurkundigen met ‘niets’ een lege ruimte (vacuüm) bedoelen. Dit klinkt misschien eenvoudig, maar experimenten tonen aan dat lege ruimte niet echt leeg is – er is een mysterieuze energie latent in aanwezig die ons iets kan vertellen over het lot van het universum.

Rees werd geïnterviewd voor The Conversation’s Anthill podcast over Niets. Deze V&A is gebaseerd op een bewerkt transcript van dat interview.

Q: Is lege ruimte werkelijk hetzelfde als niets?

A: Lege ruimte lijkt voor ons niets te zijn. Naar analogie kan water niets lijken voor een vis – het is wat er overblijft als je alle andere dingen die in de zee drijven weghaalt. Evenzo wordt verondersteld dat de lege ruimte heel gecompliceerd is.

We weten dat het heelal erg leeg is. De gemiddelde dichtheid van de ruimte is ongeveer één atoom op elke tien kubieke meter – veel ijler dan welk vacuüm dan ook dat wij op aarde kunnen bereiken. Maar zelfs als je alle materie wegneemt, heeft de ruimte een soort elasticiteit die (zoals onlangs werd bevestigd) gravitatiegolven – rimpelingen in de ruimte zelf – toelaat zich er doorheen voort te planten. Bovendien hebben we geleerd dat er een exotisch soort energie in de lege ruimte zelf zit.

Q: We leerden voor het eerst over deze vacuümenergie in de 20e eeuw met de opkomst van de kwantummechanica, die de minuscule wereld van atomen en deeltjes bestuurt. Zij suggereert dat de lege ruimte bestaat uit een veld van fluctuerende achtergrondsenergie – waardoor golven en virtuele deeltjes ontstaan die in en uit het bestaan springen. Ze kunnen zelfs een kleine kracht creëren. Maar hoe zit het met de lege ruimte op grote schaal?

A: Het feit dat de lege ruimte een kracht op grote schaal uitoefent, is 20 jaar geleden ontdekt. Astronomen ontdekten dat de uitdijing van het heelal aan het versnellen was. Dit was een verrassing. De uitdijing was al meer dan 50 jaar bekend, maar iedereen verwachtte dat deze langzamer zou gaan vanwege de zwaartekracht die sterrenstelsels en andere structuren op elkaar uitoefenen. Het was dan ook een grote verrassing te ontdekken dat deze vertraging ten gevolge van de zwaartekracht werd overstemd door iets dat de uitdijing “duwt”. Er is als het ware energie latent aanwezig in de lege ruimte zelf, die een soort afstoting veroorzaakt die op deze grote schalen zwaarder weegt dan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Dit verschijnsel – ook wel donkere energie genoemd – is de meest dramatische manifestatie van het feit dat de lege ruimte niet karakterloos en irrelevant is. Het bepaalt zelfs het lot van ons universum op de lange termijn.

Q: Maar is er een grens aan wat we kunnen weten? Op een schaal van een triljoen triljoen keer kleiner dan een atoom, kunnen kwantumfluctuaties in de ruimtetijd niet alleen aanleiding geven tot virtuele deeltjes, maar tot virtuele zwarte gaten. Dit is een gebied dat we niet kunnen waarnemen, en waar we zwaartekrachttheorieën moeten combineren met kwantummechanica om theoretisch te onderzoeken wat er gebeurt – iets dat berucht moeilijk is om te doen.

A: Er zijn verschillende theorieën die dit proberen te begrijpen, de bekendste is de snaartheorie. Maar geen van deze theorieën heeft zich tot nu toe met de echte wereld beziggehouden – het zijn dus nog ongetoetste speculaties. Maar ik denk dat bijna iedereen accepteert dat de ruimte zelf een ingewikkelde structuur zou kunnen hebben op deze piepkleine schaal waar zwaartekracht en kwantumeffecten elkaar ontmoeten.

We weten dat ons heelal drie dimensies in de ruimte heeft: je kunt naar links en naar rechts, naar achteren en naar voren, naar boven en naar beneden. Tijd is als een vierde dimensie. Maar het is een sterk vermoeden dat als je een klein puntje in de ruimte zou uitvergroten, zodat je deze piepkleine schaal zou aftasten… je zou ontdekken dat het een strak gewikkelde origami is in zo’n vijf extra dimensies die we niet zien. Het is net als wanneer je van veraf naar een slangpijp kijkt, je denkt dat het gewoon een lijn is. Maar als je beter kijkt, zie je dat één dimensie in feite drie dimensies was. Bij de snaartheorie komt ingewikkelde wiskunde kijken, net als bij de rivaliserende theorieën. Maar dat is het soort theorie dat we nodig zullen hebben als we op het diepste niveau het dichtst bij het niets staande dat we ons kunnen voorstellen willen begrijpen: namelijk de lege ruimte.

Baca juga: Aliens, very strange universes and Brexit – Martin Rees Q&A

Q: Hoe kunnen we binnen ons huidige begrip verklaren dat ons hele universum uitdijt uit het niets? Zou het echt alleen maar kunnen beginnen met een beetje fluctuerende vacuümenergie?

A: Een mysterieuze overgang of fluctuatie zou plotseling een deel van de ruimte kunnen hebben doen uitdijen – dat is tenminste wat sommige theoretici denken. De fluctuaties die inherent zijn aan de kwantumtheorie zouden in staat zijn het hele heelal te doen schudden als het tot een voldoende kleine schaal zou worden samengedrukt. Dat zou gebeuren op een tijd van ongeveer 10-44 seconden – wat de Planck-tijd wordt genoemd. Dat is een schaal waarop tijd en ruimte met elkaar verweven zijn, zodat het idee van een wegtikkende klok geen zin meer heeft. Wij kunnen ons heelal met grote zekerheid extrapoleren tot op een nanoseconde, en met enige zekerheid tot veel dichter bij de Planck-tijd. Maar daarna zijn alle kansen verkeken omdat … natuurkunde op deze schaal moet worden vervangen door een of andere grote, meer gecompliceerde theorie.

Q: Als het mogelijk is dat een fluctuatie van een willekeurig deel van de lege ruimte aanleiding gaf tot het ontstaan van het universum, waarom zou dan niet precies hetzelfde kunnen gebeuren in een ander deel van de lege ruimte – waardoor parallelle universa in een oneindig multiversum zouden ontstaan?

A: Het idee dat onze oerknal niet de enige is en dat wat wij met onze telescopen zien een minuscule fractie is van de fysieke werkelijkheid is populair onder veel natuurkundigen. En er zijn vele versies van een cyclisch heelal. Pas 50 jaar geleden doken er voor het eerst sterke bewijzen op voor een Big Bang. Maar sindsdien zijn er speculaties geweest over de vraag of dit slechts een episode is in een cyclisch heelal. En er is een groeiende belangstelling voor het concept dat er veel meer is in de fysieke werkelijkheid dan het volume van ruimte en tijd dat we kunnen onderzoeken – zelfs met de krachtigste telescopen.

Dus we hebben geen idee of er één oerknal was of vele – er zijn scenario’s die vele oerknallen voorspellen en sommige die er één voorspellen. Ik denk dat we ze allemaal moeten onderzoeken.

Q: Hoe zal het universum eindigen?

A: De meest eenvoudige lange-afstandsvoorspelling voorspelt dat het universum blijft uitdijen in een versnellend tempo, steeds leger en steeds kouder wordt. De deeltjes erin kunnen vervallen, waardoor de verdunning oneindig doorgaat. We zouden eindigen met, in zekere zin, een enorm volume van ruimte, maar het zou nog leger zijn dan de ruimte nu is. Dat is één scenario, maar er zijn er ook die inhouden dat de “richting” van donkere energie omkeert van afstoting naar aantrekking, zodat er een ineenstorting zal plaatsvinden tot een zogenaamde “Big Crunch”, wanneer de dichtheid weer richting oneindig gaat.

Er is ook een idee, afkomstig van de natuurkundige Roger Penrose, dat het heelal blijft uitdijen, steeds ijler wordt, maar op de een of andere manier – wanneer er niets meer in zit behalve de fotonen, de lichtdeeltjes – de dingen kunnen worden “herschaald”, zodat na deze enorme verdunning, de ruimte in zekere zin de generator wordt van een nieuwe Big Bang. Dat is dus een nogal exotische versie van het oude cyclische universum – maar vraag me alsjeblieft niet om Penrose’s ideeën uit te leggen.

Q: Hoe zeker bent u ervan dat de wetenschap uiteindelijk kan kraken wat niets is? Zelfs als we zouden kunnen bewijzen dat ons universum is ontstaan uit een vreemde fluctuatie van een vacuümveld, moeten we ons dan niet afvragen waar dat vacuümveld vandaan komt?

A: Wetenschappen proberen vragen te beantwoorden, maar elke keer als we ze beantwoorden, komen er nieuwe vragen bij – we zullen nooit een volledig beeld hebben. Toen ik eind jaren zestig met mijn onderzoek begon, was het omstreden of er überhaupt wel een Big Bang was geweest. Nu is dat niet langer omstreden en kunnen we met een precisie van ongeveer 2% zeggen hoe het heelal er helemaal vanaf de huidige 13,8 miljard jaar tot een nanoseconde heeft uitgezien. Dat is een enorme vooruitgang. Het is dus niet absurd optimistisch om te geloven dat in de komende 50 jaar de uitdagende vraagstukken over wat er gebeurt in de kwantum- of “inflatoire” tijdperken zullen worden begrepen.

Maar dit roept natuurlijk een andere vraag op: hoeveel van de wetenschap zal toegankelijk zijn voor het menselijk brein? Het zou bijvoorbeeld kunnen blijken dat de wiskunde van de snaartheorie in zekere zin een correcte beschrijving van de werkelijkheid is, maar dat we die nooit goed genoeg zullen kunnen begrijpen om haar aan een echte waarneming te toetsen. Dan zullen we misschien moeten wachten op de opkomst van een soort post-mensen om een vollediger begrip te krijgen.

Maar iedereen die over deze mysteries nadenkt, moet zich realiseren dat de lege ruimte – vacuüm – van de natuurkundige niet hetzelfde is als het “niets” van de filosoof.