Het einde van de wereld

Een artikel (column) van Robbert Dijkgraaf in het NRC.

In het NRC schrijft Robbert Dijkgraaf regelmatig een column. Dit keer met de titel ‘het einde van de wereld’. Een onheilspellende titel. Maar Robbert Dijkgraaf legt op een begrijpelijke en heldere manier natuurkundige principes uit. Deze ‘principes’ zijn fundamentele natuurkundige begrippen die te maken hebben met de toekomst. Vandaar de onheilspellende titel. Wel overigens een natuurkundige ‘ toekomst voorspelling’ die vast staat.

Robbert Dijkgraaf is universiteitshoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam. Zijn vakgebied is de theoretische natuurkunde. Hij is sinds 2012 directeur van het Institute for Advanced Study in Princeton.

Hier volgt het artikel:

HET EINDE VAN DE WERELD

Het vacuüm is een van de spannendste objecten in de moderne natuurkunde, schrijft Robbert Dijkgraaf. Het is allesbehalve leeg.

Een luchtig onderwerp in deze donkere dagen: het einde van de wereld.

Mijn favoriete definitie van de (natuur)wetenschap is het antwoord op de vraag: wat gebeurt er vervolgens? Van de weerberichten tot de projecties van het RIVM zien we hoe, uitgaande van kennis van het heden, de wetenschap de nabije toekomst probeert te voorspellen.

Dat zo’n glazen bol überhaupt bestaat, is een zwaarbevochten inzicht. Misschien wel de grootste wetenschappelijke ontdekking ooit was het idee van het bestaan van natuurwetten door Galilei, Newton en anderen in de zeventiende eeuw. Vaste voorschriften gegoten in wiskundige formules waar de werkelijkheid zich strikt aan moet houden. Anders dan verkeers- of belastingwetten kennen natuurwetten geen mazen waar een handig type doorheen kan glippen.

De wetenschap werd zo een grote voorspellingsmachine met een input en een output. Je voert de huidige toestand van de wereld in, draait aan de hendel van het wiskundige raderwerk en het antwoord floept eruit: de toestand een tijdje later. Geen noodzaak voor externe interventies, gewoon een kwestie van stug doorrekenen. Gedurende de eeuwen verschoof de metafoor van de machine, van een mechanisch uurwerk via een elektronische computer tot een kunstmatige intelligentie – we leven in een simulatie! – maar het deterministische wereldbeeld bleef.

De machine ‘ontploft’

Maar doet zo’n voorspellingsmachine het wel onder alle omstandigheden? Niet iedere input geeft namelijk automatisch een legitieme output. Het bestaan van natuurwetten verbiedt niet de mogelijkheid van een ‘singulariteit’, een oplossing die op een gegeven moment betekenis verliest, bijvoorbeeld omdat een variabele oneindig groot wordt. Er kan een begintoestand bestaan waarbij de machine ‘ontploft’ als deze tracht de toekomst te voorspellen.

Zo staan Newtons wetten van de hemelmechanica in principe toe dat een van de planeten zomaar naar de verste uithoek van het universum wordt geslingerd. Deze kwestie van de stabiliteit van het zonnestelsel was een existentieel probleem in de negentiende eeuw. Afgezien van de praktische zorgen over zo’n planetaire kickout, zou dit de ineenstorting van de wetenschap zélf betekenen. Tijd om de gebruiksaanwijzing van de machine te bestuderen.

De oplossing kwam van de Franse wiskundige Henri Poincaré. In 1890 toonde hij aan dat het antwoord cruciaal afhangt van de details van de begintoestand. In het algemeen is het zonnestelsel stabiel – en dat is een hele geruststelling – maar voor uitzonderlijke omstandigheden is het dat niet. Zijn werk wordt nu gezien als de geboorte van de chaostheorie.

De ontdekking van het atoom aan het begin van de twintigste eeuw bracht een andere mogelijke catastrofe, nu in de microkosmos. Dit keer werd de stabiliteit van materie in twijfel getrokken. Atomen werden toen voorgesteld als miniatuurzonnestelsels waarin elektronen rondom een kern draaien. Omdat deze deeltjes elektrisch geladen zijn, zouden ze door straling energie verliezen om vervolgens in de kern te pletter te storten.

Datzelfde dilemma deed zich voor op grotere schaal. Een stuk materie, bijvoorbeeld de stoel waarop u zit, bestaat gauw uit een biljoen keer een biljoen atomen. Dat is een enorme verzameling negatief geladen elektronen en positief geladen atoomkernen, die elkaar via elektrische krachten allemaal aantrekken en afstoten. Waarom klonteren die deeltjes niet allemaal in een grote hoop tezamen en vernietigt alle materie zichzelf in een gigantische explosie? Hoe kunt u rustig blijven zitten op zo’n atomair kaartenhuis?

Uiteindelijk bracht de quantumtheorie de oplossing. Er kwam een verbeterd stelsel natuurwetten – zeg maar, een glazen bol 2.0 – dat de deeltjes expliciet verbiedt om in elkaars armen te vallen via het zogeheten Pauli-principe, ontdekt door de Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli. Alleen zó begrijpen we waarom materie stabiel is en dingen zo groot zijn als ze zijn.

Een vrolijke boel

Zijn wij eindelijk gevrijwaard van singulariteiten? Draait de voorspellingsmachine nu soepeltjes? Helaas is er nog een laatste catastrofe waar we ons zorgen over moeten maken. De lege ruimte zélf blijkt niet te vertrouwen. Het vacuüm is een van de spannendste objecten in de moderne natuurkunde en allesbehalve leeg. De quantumtheorie kent een gedoogbeleid dat allerlei processen toestaat als ze maar snel genoeg gebeuren voordat ze kunnen worden waargenomen. Daarmee is de lege ruimte een vrolijke boel waarin de kleinste deeltjes stiekem fratsen uithalen. Er is een mogelijkheid dat dit virtuele kaartenhuis een ‘vals’ vacuüm is. De details hangen af van de precieze eigenschappen van de deeltjes die we maar zeer gedeeltelijk kennen.

Op een gegeven moment zou de natuur door kunnen hebben dat dingen niet zijn wat ze lijken en alsnog naar het ‘echte’ vacuüm overgaan. Het woord ‘singulariteit’ doet nauwelijks recht aan de omvang van dat drama. Deze apocalyps is niets minder dan het einde van de werkelijkheid. Een nieuw universum zal zich vormen. Geen enkele vorm van materie, zelfs niet ruimte en tijd, zou deze overgang overleven.

Er is een schrale troost. Zelfs in het zwartste scenario duurt het einde van de wereld nog wel even. Al gauw een googol jaar, een 1 met honderd nullen.

Tot dan hebben we andere zorgen.

Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: