Wat weten we echt over het universum?

Er is zoveel dat we geleerd hebben over ons universum

Universum: geschiedenis en oorsprong
Wat weten we echt over het universum?

Vanuit vrijwel elk gezichtspunt is het bestaan behoorlijk raar en vreemd. Maar als je de fundamentele fysica van dit alles bekijkt, wordt het nog vreemder! Terwijl veel mensen denken dat in het rijk der wetenschap alles duidelijk en ordelijk is. Maar is dat de manier waarop dingen echt werken?

Al millennia lang hebben geleerden en filosofen eindeloos gedebatteerd over de vraag of het leven en de kosmos geordend of chaotisch zijn. De wetenschappen zijn niet gespaard gebleven van dit debat, en vele belangrijke ontdekkingen zijn overgenomen door de ene of de andere denkrichting.

Kennis van de bewegingen van de planeten, de zwaartekracht, de atoomtheorie, de relativiteit, de kwantummechanica en de grootschalige structuur van het heelal is soms gebruikt om de noties van orde en chaos kracht bij te zetten.

Momenteel is er nog veel onduidelijkheid over deze vraag, en toekomstige ontdekkingen kunnen helpen deze op te lossen. Maar in de tussentijd is het goed om de balans op te maken van wat wij hebben geleerd en wat dat ons kan vertellen over het leven zoals wij dat kennen.

De Melkweg
De Melkweg

Wat is het universum?

Het woord “universum” komt van het Latijnse “universum” waarmee de Romeinse auteurs verwezen naar de kosmos zoals zij die kenden. Deze bestond uit de aarde en al het leven, alsmede de maan, de zon, de planeten die zij kenden (Mercurius, Venus, Mars, Jupiter, Saturnus) en de sterren.

De term “kosmos” daarentegen is afgeleid van het Griekse woord kosmos, dat “orde” of “de wereld” betekent. Andere woorden die gewoonlijk worden gebruikt om al het bekende bestaan te omschrijven zijn “natuur” (van het Germaanse woord natur) en het Engelse woord “everything” (spreekt voor zich).

Het woord universum wordt tegenwoordig door wetenschappers gebruikt voor alle bestaande materie en ruimte. Dit omvat het zonnestelsel, de Melkweg, alle bekende melkwegstelsels en superstructuren. In termen van de moderne wetenschap en astrofysica omvat het ook alle tijd, ruimte, materie, energie, en de fundamentele krachten die hen verbinden.

Kosmologie daarentegen wordt gebruikt om de studie van het universum (of de kosmos) en de krachten die het binden aan te duiden. Dankzij duizenden jaren van onderzoek is onze kennis van het fysische universum met sprongen vooruitgegaan. En toch is er nog zoveel dat we niet begrijpen.

Om een idee te krijgen van waar we nu staan, moeten we eerst terug kijken naar ….

Geschiedenis van de kosmologie

De mens heeft de aard van het bestaan bestudeerd sinds hij rechtop kon lopen en spreken. Het meeste van wat wij weten over de studie van de kosmos gaat echter slechts zover terug als er geschreven bronnen zijn.

Gelukkig zijn veel van deze verslagen afkomstig uit mondelinge overleveringen die aan het schrift voorafgingen, zodat een algemeen idee bestaat van wat onze voorouders geloofden. Wat we wel weten suggereert dat de vroegste verhalen over de schepping van het universum meer symbolisch en metaforisch van aard waren.

Voor zover we kunnen nagaan, heeft elke cultuur zijn eigen versie van een scheppingsverhaal gehad. Voor velen begon de tijd en al het leven met één enkele gebeurtenis, waarbij een god of goden verantwoordelijk waren voor de schepping van de wereld, de hemel en alles daartussen. De meeste scheppingsverhalen bevatten of culmineerden in de geboorte van de mensheid.

Archeologisch bewijs suggereert dat mensen al in 8000 v. Chr. gebeurtenissen aan de hemel, zoals de beweging van de maan, volgden om kalenders te maken. In het 2e millennium v. Chr. begon de astronomie zich als studiegebied te ontwikkelen. Enkele van de vroegste waarnemingen van de sterrenhemel worden toegeschreven aan de oude Babyloniërs. Deze zouden millennia lang de kosmologische en astrologische tradities van de culturen in het Midden-Oosten en het Middellandse-Zeegebied bepalen.

Kosmische Evolutie
Kosmische evolutie: de Pijl des Tijds

Het idee van eindige tijd wordt soms teruggevoerd tot deze tijd en misschien tot de Zorastrische religie. De kern ervan is het geloof dat het universum is geschapen, de ontplooiing van een goddelijk plan voorstelt, en een einde heeft.

Latere leringen stelden dat de tijd begon met de schepping of de zelfschepping en zal eindigen met een triomf van de orde over de chaos en een versie van de Dag des Oordeels waarop de hele schepping zal worden herenigd met de Schepper. Deze concepten werden waarschijnlijk rond de 6e eeuw v. Chr. in het Jodendom overgebracht met de Perzische verovering van Babylon.

Het idee van tijd als een lineaire progressie zou de westerse kosmologie millennia lang vorm geven en bestaat vandaag de dag nog steeds (b.v. met de theorieën van de “Big Bang” en de “Pijl des Tijds”).

Tussen de 8e eeuw v.Chr. en de 6e eeuw n.Chr. (de periode die vaak wordt aangeduid als de “klassieke oudheid”) begon het concept dat de fysische wetten het universum beheersen aan belang te winnen. Zowel in India als in Griekenland begonnen geleerden in deze tijd verklaringen voor natuurverschijnselen te geven die de nadruk legden op oorzaak en gevolg.

De geboorte van het atoom

In de 5e eeuw v. Chr. stelde de Griekse filosoof Empedocles dat het universum bestond uit de vier elementen aarde, lucht, water en vuur. Rond dezelfde tijd ontstond in China een soortgelijk systeem, dat bestond uit de vijf elementen aarde, water, vuur, hout en metaal.

Dit idee zou invloedrijk worden, maar werd al snel weerlegd door de Griekse filosoof Leucippus, die stelde dat het universum bestond uit ondeelbare deeltjes die bekend staan als “atomos” (Grieks voor “onsamenstelbaar”).

Het concept werd populair gemaakt door zijn leerling Democritus (460 – 370 v. Chr.), die beweerde dat atomen onverwoestbaar en eeuwig waren en de eigenschappen van alle materie bepaalden.

De Griekse filosoof Epicurus (341-270 v. Chr.) zou dit idee verfijnen en ontwikkelen. Daarom werd het in verband gebracht met de door hem geïnspireerde filosofische school (het Epicurisme).

De Indiase filosoof Canada, die tussen de 6e en 2e eeuw voor Christus zou hebben geleefd, stelde een soortgelijk idee voor. In zijn filosofie was alle materie samengesteld uit “paramanu” – ondeelbare en onverwoestbare deeltjes. Hij stelde ook voor dat licht en warmte dezelfde stof in een andere vorm waren.

Standaardmodel van deeltjesfysica
Standaardmodel van deeltjesfysica

De Indiase filosoof Dignana (480 – 540 n.Chr.), een van de boeddhistische grondleggers van de Indiase school van denken over logica, ging nog verder en stelde voor dat alle materie uit energie bestaat.

Deze theorieën werden in het Westen grotendeels vergeten, maar bleven populair bij islamitische en Aziatische geleerden, die ze in het Arabisch en andere talen vertaalden. Rond de 14e eeuw herleefde de belangstelling voor het “atomisme” in het Westen, dankzij de vertaling van klassieke werken terug in het Latijn.

De plaats van de aarde in het zonnestelsel

Tussen het 2e millennium v. Chr. en de 2e eeuw n. Chr. bleven de astronomie en de astrologie zich verder ontwikkelen en evolueren. In deze tijd observeerden de astronomen de juiste bewegingen van de planeten en de beweging van de sterrenbeelden door de dierenriem.

Het was ook in deze tijd dat de Griekse astronomen het geocentrische model van het heelal formuleerden, waarin de zon, de planeten en de sterren rond de aarde draaien.

Deze tradities werden in de 2e eeuw na Christus samengevat in het wiskundige en astronomische traktaat, de Almagest, geschreven door de Grieks-Egyptische astronoom Claudius Ptolemaeus (ook bekend als Ptolemaeus).

Dit traktaat en het kosmologische model dat het bevat, werden door veel middeleeuwse Europese en islamitische geleerden als canon beschouwd en bleven meer dan duizend jaar lang de gezaghebbende bron over astronomie.

Tijdens de Middeleeuwen (ca. 5e – 15e eeuw na Christus) hebben Indiase, Perzische en Arabische geleerden de klassieke astronomische tradities in stand gehouden en uitgebreid. Tegelijkertijd vulden zij deze aan met enkele revolutionaire ideeën – zoals de draaiing van de aarde.

Sommige geleerden gingen nog verder en stelden heliocentrische modellen van het heelal voor – zoals de Indiase astronoom Aryabhata (476-550 AD), de Perzische astronomen Albumasar (787 – 886 AD) en Al-Sijzi (945 – 1020 AD).

Het is mogelijk dat hun werken geïnspireerd waren op de vroegere werken van Aristarchus van Samos (310 -230 v. Chr.), Seleucus van Seleucia (190 v. Chr. – 150 v. Chr.), en bepaalde Pythagoreïsche filosofen uit de 4e en 5e eeuw v. Chr.

Bartolomeu Velho: Illustratie van de hemellichamen
Bartolomeu Velho: Illustratie van de hemellichamen

In de 16e eeuw publiceerde Nicolaus Copernicus een compleet model van een heliocentrisch heelal. Hij stelde dit model voor het eerst voor in een manuscript van 40 bladzijden, getiteld Commentariolus (“Kleine Commentaar”), gepubliceerd in 1514.

Zijn theorie loste de hardnekkige problemen op die eerdere heliocentrische modellen hadden geteisterd en was gebaseerd op zeven algemene principes. Deze stelden dat:

Copernicus zou deze ideeën verder uitwerken in zijn magnum opus – De revolutionibus orbium coelestium (Over de omwentelingen van de hemelsferen) – dat hij in 1532 voltooide. Uit vrees voor vervolging liet Copernicus de publicatie echter pas kort voor zijn dood (1534) toe.

In dit werk herhaalde Copernicus zijn zeven hoofdargumenten en gaf hij gedetailleerde berekeningen om ze te ondersteunen. Zijn ideeën zouden de Italiaanse astronoom, wiskundige en uitvinder Galileo Galilei (1564 – 1642) inspireren.

Galileo zou een telescoop van eigen makelij gebruiken, zijn kennis van natuurkunde en wiskunde, en een rigoureuze toepassing van de wetenschappelijke methode om de waarnemingen en berekeningen van Copernicus te verfijnen.

Galileo’s observaties van de maan, zon en Jupiter zouden zeer invloedrijk blijken en hielpen de zwakke punten van het geocentrische model bloot te leggen. Zijn waarnemingen van de maan, bijvoorbeeld, onthulden een pokdalig en kraterig oppervlak, terwijl zijn waarnemingen van de zon zonnevlekken aan het licht brachten.

Geocentrisch en Heliocentrisch Wereldbeeld
Vergelijking van het geocentrische en heliocentrische wereldbeeld

Hij was ook verantwoordelijk voor de ontdekking van Jupiters grootste manen – Io, Europa, Ganymedes en Callisto – die later ter ere van hem de “Galileïsche manen” werden genoemd.

Deze ontdekkingen waren in tegenspraak met lang gekoesterde opvattingen dat de hemel een volmaakte bol was (in overeenstemming met de christelijke theologie) en dat geen andere planeten dan de aarde satellieten hadden.

Zijn waarnemingen van de planeten toonden aan dat hun verschijningen en posities aan de hemel overeenstemden met de theorie dat zij rond de zon draaien.

Hij deelde deze waarnemingen in verhandelingen zoals de Sidereus Nuncius (De Sterrenboodschapper) en de On the Spots Observed in the Sun, beide gepubliceerd in 1610.

Maar het was zijn verhandeling uit 1632, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Dialoog over de twee belangrijkste wereldsystemen), waarin hij het heliocentrische model van het heelal bepleitte.

Johannes Kepler (1571-1630) verfijnde het model verder met zijn wetten van de planeetbeweging , waaruit bleek dat de banen van de planeten elliptisch waren, en geen perfecte cirkels (zoals Galileo en eerdere astronomen hadden beweerd).

Hiermee werd het “Grote Debat” over de aard van het zonnestelsel beslecht en werd heliocentrisme de wetenschappelijke consensus vanaf het einde van de 17e eeuw.

Van het zonnestelsel tot de Melkweg

Een andere revolutionaire ontdekking die in de 17e en 18e eeuw werd gedaan, was het besef dat ons zonnestelsel niet uniek is. Dankzij de uitvinding van de telescoop is ons begrip van de Melkweg drastisch veranderd.

In plaats van een reusachtige bandvormige wolk (zoals eerder werd gedacht), begonnen astronomen te begrijpen dat de nevelachtige structuur die zij millennia lang aan de nachtelijke hemel hadden waargenomen, in feite miljarden verre sterren waren.

Toegegeven, het idee was niet helemaal nieuw. In de 13e eeuw stelde de Perzische astronoom en polymaat Nasir al-Din al-Tusi (1201 – 1274) precies deze mogelijkheid voor in zijn boek Tadhkira:

“De Melkweg, d.w.z. het melkwegstelsel, bestaat uit een zeer groot aantal kleine sterren die dicht bij elkaar staan en die, door hun concentratie en kleinheid, lijken op wazige vlekken. Daarom wordt hij qua kleur wel vergeleken met melk.”

Maar het duurde tot de wetenschappelijke revolutie (ca. 16e – 18e eeuw) voordat astronomen dit rechtstreeks konden waarnemen. Galileo beschreef in de Sternenboten de waarneming die hij deed van de “nevelsterren” die waren opgenomen in de sterrencatalogus van de Almagest.

Deze waarnemingen leidden hem tot de conclusie dat de “nevelachtige” delen van de Melkweg eigenlijk “verzamelingen van ontelbare sterren gegroepeerd in clusters” waren. Deze ontdekking ondersteunde de stelling van het heliocentrisme door aan te tonen dat het heelal veel groter was dan eerder werd gedacht.

In 1755 theoretiseerde de Duitse filosoof Immanuel Kant dat de Melkweg een massieve sterrenhoop was die bijeen werd gehouden door de kracht van hun onderlinge zwaartekracht. Hij voorspelde verder dat deze sterren (samen met het zonnestelsel) deel uitmaakten van een afgeplatte schijf die rond een gemeenschappelijk centrum draaide – net als de planeten rond de zon.

In 1785 deed de astronoom William Herschel een poging om de eerste kaart van de Melkweg te maken. Zijn schattingen van de grootte en de vorm van het melkwegstelsel werden in de war gestuurd door het feit dat een groot deel van ons melkwegstelsel aan het zicht wordt onttrokken door stof en gas, maar zijn poging was tekenend voor de vooruitgang die werd geboekt.

In de 19e eeuw stelden verbeterde optica en telescopen astronomen in staat een groter deel van de nachtelijke hemel in beeld te brengen, waardoor velen tot de conclusie kwamen dat ons zonnestelsel slechts één van de miljarden in de Melkweg was.

In de 20e eeuw moeten ze beseffen dat de Melkweg er slechts één van miljarden in het heelal is. Maar één ding tegelijk…

Newton en Einstein revolutioneren alles

Het inzicht van de mensheid in het heelal werd aan het einde van de 17e eeuw opnieuw gerevolutioneerd door het werk van de Britse polymaat Sir Isaac Newton (1642/43 – 1727). Op basis van de bewegingsleer van Kepler ontwikkelde hij een theorie van de zwaartekracht (ook bekend als “Universele Gravitatie”).

Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
Newton’s Philosophiae Naturalis Principia Mathematica

Dit werd samengevat in zijn belangrijkste werk, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (“Wiskundige beginselen van de natuurfilosofie”), gepubliceerd in 1687, dat Newtons Drie Wetten van Beweging bevatte. In deze wetten staat dat:

Deze wetten beschreven hoe voorwerpen krachten op elkaar uitoefenen en hoe beweging ontstaat als gevolg daarvan. Door zijn werk kon Newton de massa van de planeten berekenen, vaststellen dat de aarde geen perfecte bol is en hoe de wisselwerking van de aarde met de zon en de maan de getijden in de oceanen beïnvloedt.

Deze en andere gedetailleerde berekeningen zouden een diepgaande invloed hebben op de wetenschappen en de basis vormen van de Klassieke Natuurkunde (ook bekend als Newtoniaanse Natuurkunde), die de volgende 200 jaar de geaccepteerde canon zou blijven.

Dit veranderde in het begin van de 20e eeuw toen een jonge theoretische natuurkundige, Albert Einstein genaamd, een reeks artikelen begon te publiceren over zijn theorieën van Speciale en Algemene Relativiteit.

Deze theorieën waren gedeeltelijk het resultaat van pogingen om de inconsistenties tussen de Newtoniaanse natuurkunde en de onlangs ontdekte wetten van het elektromagnetisme op te lossen – het best samengevat door de vergelijkingen van Maxwell en de wet van de Lorentz-kracht).

Einstein zou deze tegenstrijdigheid aan de orde stellen in een van de verhandelingen die hij in 1905 schreef toen hij op een octrooibureau in Bern, Zwitserland werkte. Getiteld ” Over de elektrodynamica van bewegende lichamen“, werd dit artikel de basis van de Speciale Relativiteit (SR).

De theorie van Einstein betwistte de tot dan toe heersende opvatting dat licht dat door een medium beweegt, door dat medium wordt meegevoerd. Dit betekende dat de snelheid van het licht (die reeds was vastgesteld) de som was van zijn snelheid door een medium plus de snelheid van dat medium.

Dit leidde tot allerlei theoretische complicaties, en experimenten die deze probeerden op te lossen, leverden allemaal nul resultaten op. In plaats daarvan stelde Einstein vast dat de snelheid van het licht gelijk is in alle inertiale referentiekaders, een theorie die de noodzaak van media of vreemde verklaringen elimineerde.

Als theorie vereenvoudigde SR niet alleen wiskundige berekeningen en loste het problemen tussen elektromagnetisme en natuurkunde op, maar kwam het ook goed overeen met de lichtsnelheid en verklaarde het afwijkingen die zich bij experimenten voordeden.

Tussen 1907 en 1911 begon Einstein zijn theorie van SR toe te passen op gravitatievelden, een ander gebied waarop de Newtoniaanse natuurkunde moeilijkheden had. In 1911 culmineerden deze inspanningen in de publicatie van ” On the Influence of Gravitation on the Propagation of Light“.

Dit artikel legde de basis voor Algemene Relativiteit (GR). Daarin voorspelde Einstein dat tijd relatief is ten opzichte van de waarnemer en afhangt van de positie van de waarnemer binnen een gravitatieveld, en dat gravitatiemassa identiek is aan traagheidsmassa (ook bekend als het equivalentieprincipe).

Iets anders dat Einstein in dit artikel voorspelde was het idee dat twee waarnemers op verschillende afstanden van een gravitationele massa het tijdsverloop verschillend zouden waarnemen (aka. Gravitationele Tijdsdilatatie). Deze theorieën vormen nog steeds een integraal onderdeel van de moderne fysica.

Het universum is donker

De theorieën van Einstein, die algemeen werden aanvaard, hadden vele gevolgen voor de wetenschappen. In het bijzonder voorspelden zijn relativiteitsveldvergelijkingen ook het bestaan van zwarte gaten en een heelal dat ofwel in een toestand van constante uitdijing ofwel in een toestand van inkrimping verkeert.

In 1915, een paar maanden nadat GR algemeen bekend werd, vond de Duitse natuurkundige en astronoom Karl Schwarzschild een oplossing voor Einsteins veldvergelijkingen die aanleiding gaf tot de theorie van zwarte gaten, tientallen jaren voordat er een werd waargenomen.

Deze oplossing, ook bekend als de Schwarzschildstraal, beschrijft hoe de massa van een bol zodanig kan worden samengeperst dat de ontsnappingssnelheid vanaf het oppervlak gelijk is aan de lichtsnelheid. De “straal” verwijst in dit geval naar de grootte waaronder de aantrekkingskracht tussen de deeltjes van een lichaam het moet doen instorten door onomkeerbare zwaartekracht.

In 1931 breidde de Indisch-Amerikaanse astrofysicus Subrahmanyan Chandrasekhar dit uit door SR te gebruiken om te berekenen hoe massief een lichaam zou moeten worden voordat het in zichzelf zou instorten – later de Chandrasekhar limiet genoemd.

In 1939 bevestigde de ontdekking van neutronensterren Chandrasekhar’s theorieën door aan te tonen dat witte dwergen met massa’s beneden deze grens inderdaad instorten. Als gevolg daarvan is het resulterende object (een neutronenster) superdicht en heeft het een ongelooflijk sterk magnetisch veld.

Natuurkundigen zoals Robert Oppenheimer leidden hieruit af dat een witte dwerg met voldoende massa zou blijven instorten en een zwart gat zou vormen. Dit was een heel andere massalimiet (bekend als de Tolman-Oppenheimer-Volkoff-limiet), maar hij was in overeenstemming met de theorie van Chandrasekhar.

In de jaren zestig en zeventig hebben astrofysici veel proeven gedaan met de algemene relativiteit door gebruik te maken van zwarte gaten en grootschalige structuren (zoals melkwegstelsels en clusters van melkwegstelsels). Dit zou bekend worden als de “Gouden Eeuw van de Algemene Relativiteit” (1960 – 1975), omdat Einsteins theorie hierdoor als nooit tevoren kon worden getest.

Maar astrofysici merkten ook iets bijzonder verontrustends op aan deze tests. Toen zij naar melkwegstelsels en grotere verzamelingen materie in het heelal keken, ontdekten zij dat de waargenomen gravitatie-effecten van deze objecten niet overeenkwamen met hun schijnbare massa.

Dit bracht de wetenschappelijke gemeenschap tot de conclusie dat er een heleboel massa in sterrenstelsels zit die zij niet kunnen zien. Dit gaf aanleiding tot de theorie van Donkere Materie, een mysterieuze massa die niet interageert met “normale materie” (aka. zichtbare of baryonische materie) via de elektromagnetische kracht.

Dit betekent dat het geen licht absorbeert, weerkaatst of uitzendt, waardoor het uiterst moeilijk te detecteren is. Het heeft alleen wisselwerking met materie door zijn zwaartekracht. Aangenomen wordt dat donkere materie zes keer zwaarder weegt dan zichtbare materie en ongeveer 27% van het heelal uitmaakt. Men gelooft ook dat het een diepgaande invloed heeft gehad op de evolutie van het heelal.

Het universum breidt zich uit

Een ander gevolg van GR was de voorspelling dat het heelal zich ofwel in een constante staat van uitdijing ofwel in een constante staat van inkrimping bevond. In 1927 – 1929 bevestigden de Belgische natuurkundige (en rooms-katholieke priester) Georges Lemaître en de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble dat het de eerste was.

In die tijd was Einstein nog steeds op zoek naar een manier om het idee van een statisch heelal te rationaliseren. Daartoe stelde hij de ” Kosmologische Constante” voor, een nog niet ontdekte kracht die de zwaartekracht “tegenhoudt” om ervoor te zorgen dat de verdeling van de materie in de kosmos uniform is in de tijd.

Met roodverschuivingsmetingen van andere sterrenstelsels, bewees Hubble dat Einstein ongelijk had. Deze metingen toonden aan dat het licht afkomstig van deze sterrenstelsels een kortere golflengte had – dat wil zeggen, verschoven was naar het rode eind van het spectrum – hetgeen erop wijst dat de tussenliggende ruimte aan het uitdijen was.

De waarnemingen van Hubble toonden ook aan dat de melkwegstelsels die het verst van de onze verwijderd waren, zich sneller verwijderden. Dit verschijnsel werd bekend als de Wet van Hubble , en de snelheid waarmee dit gebeurde werd bekend als de Hubble-constante .

In 1931 gebruikte Georges Lemaitre verschijnselen die hij had helpen ontdekken om het idee te verwoorden dat het heelal een begin had. Nadat hij onafhankelijk had bevestigd dat het heelal aan het uitdijen was, stelde hij voor dat het kleiner werd naarmate je verder terug in de tijd keek.

Op een bepaald moment in het verleden, zo concludeerde hij, zou de gehele massa van het heelal op één punt geconcentreerd zijn geweest. Deze ontdekkingen leidden tot een debat onder natuurkundigen, die in twee stromingen uiteenvielen.

De meerderheid was nog steeds van mening dat het heelal zich in een stabiele toestand bevindt (d.w.z. de Steady State Theory), waarbij voortdurend materie wordt gecreëerd naarmate het heelal uitdijt, zodat uniformiteit in de tijd gewaarborgd is.

Aan de andere kant waren er mensen die geloofden dat het heelal geleidelijk aan uitdijde, waardoor de dichtheid van materie langzaam afnam. Dit idee werd bekend als ” Big Bang Theory“, een bijnaam die door voorstanders van de Steady State Theory schertsend werd gegeven.

Na enkele decennia kwamen er verschillende bewijzen naar voren die de Big Bang interpretatie gunstig gezind waren. Daartoe behoren de ontdekking en bevestiging in 1965 van de Kosmische microgolfachtergrond (CMB), voorspeld door de oerknaltheorie.

CMB is in feite “overblijfselstraling” die is overgebleven van de oerknal en zich sindsdien heeft uitgebreid met de snelheid van het licht. Door de afstand van de CMB te meten, die ongeveer 13,8 miljard jaar in alle richtingen bedraagt, hebben wetenschappers de leeftijd van het heelal kunnen beperken.

In de jaren negentig hebben verbeteringen in telescopen op de grond en de invoering van ruimtetelescopen geleid tot nieuwe en opzienbarende ontdekkingen. Wetenschappers dachten dat de zwaartekracht uiteindelijk de uitdijing van het heelal zou vertragen. Maar nu hebben astronomen waargenomen dat de kosmische uitdijing in de afgelopen vier miljard jaar is versneld.

Dit gaf aanleiding tot de theorie van Donkere Energie, een mysterieuze kracht die op de een of andere manier de zwaartekracht tegenwerkt en de kosmos verder uit elkaar duwt. Theoretici kwamen met verschillende verklaringen voor donkere materie. Sommigen suggereerden dat Einsteins “kosmologische constante” al die tijd correct was geweest. Anderen stelden dat Einsteins theorie van de zwaartekracht verkeerd was en dat er een nieuwe theorie nodig was die een soort veld omvatte dat deze kosmische versnelling produceerde.

Een toonaangevende kosmologische theorie wordt tegenwoordig beschreven door de Lambda Cold Dark Matter (λCDM). Het is momenteel het eenvoudigste model dat de meeste van de waargenomen eigenschappen van het heelal verklaart. Het stelt dat het grootste deel van het heelal bestaat uit donkere energie, donkere materie en gewone materie, en staat ook bekend als het standaardmodel van de big bang kosmologie. Zij gaat ervan uit dat algemene relativiteit de juiste theorie is van de zwaartekracht op kosmologische schalen en verklaart veel van de eigenschappen van de kosmos, waaronder de kosmische microgolfachtergrond en de versnelling van de uitdijing van het heelal.

Het Lambda-CDM model
Het Lambda-CDM model

Dus wat weten we niet?

Het antwoord op deze vraag is: heel veel, echt waar! Maar om deze vraag doeltreffend te kunnen beantwoorden, moeten wij kijken naar de wijze waarop wetenschappers het heelal van boven tot onder onderzoeken en opmerken waar de leemten zitten.

In de eerste plaats begrijpen wetenschappers hoe materie, tijd en ruimte zich op de grootste schalen gedragen. Dit wordt het best samengevat in GR, waarin precies wordt beschreven hoe massa en zwaartekracht op elkaar inwerken en de ruimtetijd beïnvloeden.

Sinds de jaren zestig zijn astrofysici er echter van overtuigd geraakt dat er daarbuiten een heleboel massa is die zij niet kunnen zien. Hoewel dit in theorie logisch is, hebben pogingen om donkere materie te vinden tot dusver niets overtuigends opgeleverd.

Dus hoewel je zou kunnen zeggen dat we weten hoeveel materie er is, kunnen we het grootste deel ervan niet afdoende verklaren. Evenzo weten we al sinds het eind van de jaren twintig dat het heelal aan het uitdijen is. Maar we weten niet precies waarom.

De snelheid waarmee het heelal uitdijt, kan worden verklaard door de aanwezigheid van donkere energie. Maar net als bij donkere materie, moet het onderzoek nog uitwijzen wat het werkelijk is.

En dan is er nog de uitdijing van het heelal zelf. Met de ontdekking van de CMB hebben astronomen en kosmologen de evolutie van de kosmos kunnen volgen en hebben zij nauwkeurige schattingen kunnen maken van de ouderdom van de kosmos. De huidige schatting is dat de kosmos 13,799 ± 0,021 miljard jaar oud is.

Maar hoe groot is het? Dat blijft een mysterie. Op basis van de snelheid van de kosmische uitdijing schatten astrofysici dat het “waarneembare” heelal een bol is met een doorsnede van ongeveer 93 miljard lichtjaar. Maar verder reikt het heelal waarschijnlijk nog veel verder en zou het zelfs oneindig kunnen zijn.

Aan de andere kant hebben wetenschappers vastgesteld dat er vier fundamentele krachten (ook wel fundamentele interacties genoemd) zijn die alle materie- en energie-interacties in het heelal beheersen.

Deze krachten bestaan uit de gravitatiekracht (als gevolg van de kromming van ruimtetijd en beschreven door GR) en de drie discrete velden van de kwantummechanica – samen bekend als kwantumveldentheorie (QFT).

Deze gebieden omvatten de zwakke kernkracht, de sterke kernkracht en het elektromagnetisme – die te maken hebben met subatomaire deeltjes en hun interacties zoals beschreven door het Standaardmodel van de deeltjesfysica.

Een andere manier om het te bekijken is deze interacties te groeperen in een systeem van drie categorieën: Zwaartekracht, Electroweakke Krachten, en Sterke Krachten. De laatste twee categorieën worden onderverdeeld in de zwakke kernkracht en de elektromagnetische kracht, en in de fundamentele en de residuele kernkrachten.

Terwijl de zwaartekracht planeten, sterren, melkwegstelsels en melkwegclusters samenbindt (d.w.z. het macroniveau), binden de elektrozwakke krachten atomen en moleculen, terwijl de sterke krachten hadronen en atoomkernen samenbinden.

Hier is het probleem. Wetenschappers begrijpen hoe zwaartekracht werkt op de grootste schalen, maar niet op de kleinste. Dit onderscheidt haar van alle andere bekende krachten in het heelal, die een overeenkomstige subatomaire molecule hebben.

Voor elektriciteit en magnetisme zijn er elektronen en fotonen. Voor de zwakke en sterke kernkracht zijn er bosonen, gluonen en mesonen. Een “graviton” bestaat momenteel echter niet, althans niet buiten het hypothetische.

En tot dusver hebben alle pogingen om een sluitende theorie van de kwantumzwaartekracht – ook bekend als Theorie van Alles (ToE) – te vinden gefaald. Er zijn verschillende theorieën voorgesteld om dit probleem op te lossen – met als voornaamste kanshebbers de snaartheorie en de lus-kwantumzwaartekracht – maar tot dusver is nog geen enkele theorie afdoende bewezen.

Hoe zal dit allemaal eindigen?

Oké, het zit zo… weten we dat ook niet. Toegegeven, het idee dat het universum een begin had, leidt natuurlijk tot het idee dat het een mogelijk einde zal hebben. Als het heelal begon als een klein stipje in de ruimtetijd dat plotseling uitdijde, betekent dat dan dat het eeuwig zal uitdijen?

Of, zoals ook is getheoretiseerd, zal het ophouden met uitdijen en beginnen samen te trekken, en uiteindelijk weer een kleine, bolvormige massa worden? Deze vraag wordt al gesteld sinds kosmologen debatteerden over het ontstaan van het heelal – Big Bang of Steady State?

Vóór de waarnemingen die aantoonden dat het heelal versneld uitdijt, waren de meeste kosmologen verdeeld over dit onderwerp. Deze stonden bekend als de “Big Crunch” en “Big Freeze” scenario’s.

In het eerste geval zal het heelal uitdijen tot het geen energie meer heeft en dan beginnen in te storten. Ervan uitgaande dat het heelal een punt bereikt waar de massadichtheid groter is dan de kritische dichtheid, zal het heelal beginnen samen te trekken.

Wanneer de dichtheid van het heelal gelijk is aan of lager is dan de kritische dichtheid, zal het heelal blijven uitdijen totdat de stervorming ophoudt. Uiteindelijk bereiken alle sterren het einde van hun leven en worden ze dode omhulsels of zwarte gaten.

Uiteindelijk zouden de zwarte gaten botsen en grotere en grotere zwarte gaten vormen. Dit zou uiteindelijk leiden tot een “hittedood” in het heelal, waarbij de laatste elektromagnetische straling wordt opgebruikt. De zwarte gaten zelf zouden uiteindelijk verdwijnen na het afgeven van de laatste van hun Hawking straling.

Sinds de jaren negentig hebben de waarnemingen die tot de theorie van de donkere energie hebben geleid, nieuwe discussies over het lot van het heelal op gang gebracht. Men gelooft nu dat naarmate de ruimte blijft uitdijen, steeds meer van het waarneembare heelal achter de CMB ligt en onzichtbaar wordt voor waarnemers.

Intussen zal de CMB verder roodverschuiven totdat hij alleen nog zichtbaar is in het radiogolfbereik. Uiteindelijk zal het helemaal verdwijnen en zullen astronomen niets anders zien dan zwartheid achter de zichtbare rand.

Een andere mogelijkheid is het “Big Rip”-scenario, waarbij de voortdurende expansie er uiteindelijk toe leidt dat alle melkwegstelsels, sterren, planeten en zelfs de atomen zelf uit elkaar worden gerukt, wat resulteert in de dood van alle materie.

Big crunch, big freeze, of big rip? Op dit moment, weten we het gewoon niet. Hetzelfde geldt voor theorieën over de oorsprong van het heelal – was het een Big Bang of meer een Big Bounce?

Dit is ook het geval bij onze pogingen om de zwaartekracht te verenigen met de andere fundamentele krachten. Op dit ogenblik zijn de beste theorieën die we hebben theorieën die een zekere logische samenhang vertonen maar onbewezen blijven.

Zoals Socrates beroemde uitspraak: “Er is maar één ding dat ik weet, en dat is dat ik niets weet.” Deze kennis, zo wordt gezegd, maakte Socrates tot de wijste man van het hele land. In hetzelfde opzicht is het begrip van het heelal door de mensheid merkwaardig paradoxaal.

We weten dat het zich uitbreidt, we weten alleen niet hoe. We weten hoeveel massa er is, we kunnen het grootste deel alleen niet zien. We weten hoe de zwaartekracht werkt, maar niet hoe hij bij de andere krachten past. We weten niet hoe het begon of eindigde, maar we hebben theorieën die passen bij de waarneembare bewijzen.

Er is dus veel dat we niet weten over het heelal, maar we hebben tenminste een vrij goed idee van wat we niet weten. Dit geeft ons een voorsprong op de vorige generaties van de mensheid, die niet alleen onwetend waren over het heelal in zijn geheel, maar ook onwetend over hun onwetendheid.

We bevinden ons ook op een punt in onze technologische evolutie waar we meer van het heelal kunnen zien dan ooit tevoren, zowel op de grootste als op de kleinste schaal. Met instrumenten van de volgende generatie, supercomputers en deeltjesversnellers verleggen wetenschappers de grenzen van wat we kunnen zien.

De enige manier om onwetendheid te overwinnen is te weten waar onze onwetendheid ligt en die dan aan te pakken. Wat dat betreft zal de mensheid in de nabije toekomst nog veel leren!