Het laatste wetenschappelijke artikel van Stephen Hawking is vandaag postuum gepubliceerd. Zoals altijd roeit de Brit tegen de stroom in. Samen met de Belg Thomas Hertog bestrijdt Hawking de heersende theorie dat er oneindig veel verschillende universa zijn.

Er zijn niet oneindig veel universa. Dat is de laatste wetenschappelijke conclusie van Stephen Hawking, die hij opstelde samen met Thomas Hertog, hoogleraar theoretische fysica aan de KU Leuven. Hun alternatieve idee is vandaag gepubliceerd in het Journal of High Energy Physics, anderhalve maand na het overlijden van de beroemde Britse kosmoloog.

De meeste kosmologische modellen gaan ervan uit dat het heelal vlak na de oerknal korte tijd exponentieel snel uitdijde, een verschijnsel dat kosmische inflatie heet. Die versnelde uitdijing was in een oogwenk weer voorbij – gelukkig maar, anders had materie nooit kunnen samenklonteren tot sterrenstelsels, sterren en planeten.

Multiversum

Veel fysici denken echter dat ons plaatselijke heelal slechts onderdeel is van een veel groter geheel. Dat geheel noemen ze een multiversum: een verzameling universa die als bubbels door een oceaan bewegen. Een van die bubbels is dan ‘ons’ heelal.

Hoeveel universa zijn er? Eén, oneindig veel, of iets ertussenin?

Binnen die bubbels is de inflatie gestopt, zodat er – in ons heelal tenminste – sterren en planeten ontstonden. Volgens de gangbare modellen ging de versnelde uitdijing in de omliggende oceaan echter gewoon door. Daardoor zou het multiversum als geheel onderhevig zijn aan ‘eeuwige inflatie’.

Dit geheel kun je in wiskundige termen beschrijven als een oneindige fractaal: een meetkundige figuur met oneindig veel details die zich oneindig vaak herhaalt, op welke schaal je er ook naar kijkt. De universa die zich schuilhouden in de bubbels van deze fractaaloceaan kunnen allemaal net iets andere eigenschappen hebben. Zo kan de zwaartekracht in de ene bubbel bijvoorbeeld een flink stuk sterker zijn dan in de andere.

Volgens deze theorie kunnen er oneindig veel soorten universa bestaan. Dat ons heelal er zo uitziet als het er uitziet en werkt zoals het werkt, is daardoor eigenlijk niet meer dan een soort kosmisch toeval.

Snaartheorie

Stephen Hawking. De grootste natuurkundige van deze tijd overleed op 14 maart 2018 op 76-jarige leeftijd. Beeld: NASA

Stephen Hawking is nooit een fan geweest van dit multiversummodel. Zijn probleem ermee was dat je vanwege de oneindige hoeveelheid verschillende universa nooit experimenteel kunt bewijzen of het model klopt. Elk denkbaar heelal past in het model, dus ook dat van ons.

Hawking en Hertog maken in hun nieuwe kosmologische model korte metten met eeuwige inflatie en daarmee met het oneindige multiversum. Hiervoor gebruikten ze snaartheorie, een wiskundige theorie die alle natuurwetten met elkaar probeert te verenigen.

‘Het probleem met de gangbare kijk op inflatie is dat die uitgaat van een achtergronduniversum dat zich aan de algemene relativiteitstheorie van Einstein houdt en de optredende quantumeffecten behandelt als kleine fluctuaties in dit geheel’, zegt Hertog. ‘Eeuwigdurende inflatie zorgt er echter voor dat de scheiding tussen klassieke fysica en quantumfysica verdwijnt. De algemene relativiteitstheorie loopt daardoor bij eeuwigdurende inflatie in zijn geheel in de soep.’

We spraken Thomas Hertog op de verschijningsdag van de publicatie. Een uitgebreid interview is eind juni te lezen in de zomereditie van New Scientist. Video: Jim Jansen.  

Hawking en Hertog voorspellen op basis van hun model dat het multiversum geen fractaalstructuur heeft en geen oneindig aantal verschillende universa herbergt. In plaats daarvan is de oceaan behoorlijk vlak, zodat het aantal verschillende heelalbubbels begrensd is.

‘Toy model’

‘Dit is een zeer interessant resultaat’, zegt Jan Pieter van der Schaar, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam en niet betrokken bij het onderzoek van Hawking en Hertog. ‘Het is echter nog zeer voorbarig om van een doorbraak te spreken.’

Van der Schaar is om twee redenen sceptisch. Ten eerste staat het model waar Hawking en Hertog hun voorspellingen op baseren een behoorlijk eind van de realiteit. Het is wat onderzoekers in dit vakgebied een toy model noemen, een natuurkundig en wiskundig versimpelde versie van de werkelijkheid. ‘Het is nog maar de vraag of de voorspellingen standhouden in een realistischer model’, zegt Van der Schaar.

Vertrouwen

LEESTIP. Stephen Hawkins iconische boek ‘Het universum’. Bestel nu in onze webshop.

Daarnaast gebruiken Hawking en Hertog een trucje om de wetten van de quantummechanica in het model te krijgen, terwijl het nog maar de vraag is of je dat trucje op de schaal van het hele universum mag gebruiken. Dit trucje komt uit de snaartheorie en heet met een ingewikkelde term de ‘holografische AdS/CFT-correspondentie’. Met het trucje kun je de werking van quantumzwaartekracht beschrijven in een andere context dan de superkleine wereld waarin de wetten van de quantummechanica gelden.

In het model van Hawking en Hertog is dit essentieel om uitspraken te kunnen doen over hoe de inflatie van het universum op grote schaal werkt. ‘Maar het is de vraag of deze techniek toepasbaar is op de schaal van het universum’, zegt Van der Schaar. ‘Daar is behoorlijk wat vertrouwen voor nodig. Op dit moment is niet te bewijzen of dat zomaar kan.’

Als de aannames van Hawking en Hertog desalniettemin gerechtvaardigd blijken, dan heeft dat verreikende en verrijkende gevolgen voor ons begrip over het multiversum. ‘We zijn nog niet zo ver dat we het aantal universa hebben teruggebracht tot één, maar onze bevindingen reduceren het aantal mogelijke universa in het multiversum enorm’, zei Hawking hierover in een interview dat hij vlak voor zijn overlijden gaf. Daarmee is dit een mooie stap in de richting van een kosmologisch model dat experimenteel testbare voorspellingen voortbrengt.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder: