‘Branen’ zijn een verfijning van de snarentheorie die zwaartekracht en kwantummechanica met elkaar moet verzoenen. Ze schetsen een nieuw beeld van het ontstaan van het heelal.

‘Een van de vele moeilijkheden was de paradox van het zwarte gat’, doceert Sevrin. ‘De befaamde Britse fysicus Stephen Hawking kaartte hem in de jaren zeventig aan. De relativiteitstheorie impliceert het bestaan van zwarte gaten, want als de thermonucleaire reacties in het hart van een ster stilvallen, klapt ze onder druk van haar eigen zwaartekracht in elkaar. Als de zon zou krimpen tot een diameter van minder dan drie kilometer wordt ze een zwart gat. Men veronderstelt dat in de melkweg een slapend zwart gat met een massa van 2,7 miljoen zonnen huist, wat nog altijd klein is naar galactische normen. Een essentieel element uit de kwantummechanica is dat er nooit iets verloren gaat. Als je een boek verbrandt, kan de kwantummechanica alle informatie die erin stond uit de rook halen. Voor zwarte gaten gold dat echter niet. Daarin bleek informatie verloren te gaan. Dat clashte zwaar met de kwantummechanica.’

Hawking zocht zelf naar een oplossing voor deze paradox. Hij paste kwantummechanica toe op zwarte gaten. Zelfs in een vacuüm gebeuren ‘dingen’: kwantumfluctuaties waarbij deeltjes en antideeltjes eventjes samen verschijnen, maar bijna op hetzelfde moment weer verdwijnen. ‘Een vacuüm is in feite heel levend’, stelt Sevrin. ‘Het feit dat wij bestaan, is een gevolg van kleine fluctuaties. Die komen overal voor, dus ook in de buurt van een zwart gat. Hawking toonde aan dat zulke fluctuaties daar in bepaalde omstandigheden kunnen uitmonden in straling. Maar deze Hawking-radiatie van een zwart gat is zo zwak dat ze niet kan worden waargenomen.’

Daarmee was de paradox niet weggewerkt. Er zit geen informatie in de Hawking-radiatie, dus was er nog altijd een conflict met de kwantummechanica. Het duurde tot de jaren tachtig voor er iets fundamenteel nieuws kwam: de snarentheorie (naar het Engelse strings), waarin deeltjes niet langer als punten in de ruimte, maar als trillende miniatuursnaren worden voorgesteld. De afmetingen van zo’n snaar verhouden zich tot een atoomkern als de kern zelf tot ons zonnestelsel _ het is dus niet te verwonderen dat we geen snaren zien.

De theorie vloeide voort uit onderzoek naar de interacties tussen elementaire deeltjes, waarbij het principe van de causaliteit zich had opgedrongen. Een interactie werd in onze vierdimensionele ruimtetijd niet alleen in de ruimte, maar ook in de tijd uitgesmeerd, waarbij het effect echter nooit voor de oorzaak kon komen. Om consistent te zijn met de kwantummechanica werden krachtenoverdragende deeltjes gecreëerd, die achteraf ook opdoken in deeltjesversnellers. Hieruit werd het standaardmodel van de natuurkunde gepuurd, waarin alle deeltjes en krachten op een logische manier samenkwamen.

‘Maar de zwaartekracht bleef voor moeilijkheden zorgen’, zegt Sevrin. ‘Het model voorspelt het bestaan van een zwaartekracht-overdragend deeltje, een graviton, dat echter nog altijd niet rechtstreeks is waargenomen. De situatie is te vergelijken met twee schaatsers die elkaar een bal _ het graviton _ toegooien. Het is evident dat de bal het geschaats beïnvloedt. De snarentheorie levert de enige bekende manier om zwaartekracht in ruimte én tijd te kunnen uitsmeren. Interessant was dat ze op grote schaal de algemene relativiteit voortbracht. Als Albert Einstein die niet had ontdekt, zou ze ongetwijfeld uit de snarentheorie zijn gedestilleerd.’

De problemen waren echter nóg niet van de baan. Tot ieders verbazing was de snarentheorie consistent, maar dan wel in vijf gevallen. ‘Dat was niet vanzelfsprekend’, geeft Sevrin toe. ‘Het is moeilijk denkbaar dat er vijf grote theorieën van de natuur zouden bestaan. Daarenboven was de theorie alleen consistent in tien dimensies: negen ruimtelijke en één tijdsgebonden. Op zichzelf is dat niet zo erg. Een tuinslang lijkt van ver ook maar één dimensie te hebben in plaats van drie. Je moet dimensies heel klein kunnen maken. Wiskundig werd dat aangepakt door zes dimensies tot een prop samen te ballen. De structuur van een vierdimensionele wereld zoals ons heelal werd bepaald door de vorm van de prop met de zes andere dimensies. Helaas waren er zoveel soorten proppen.’

Tien jaar lang werd er aangemodderd, tot in de zomer van 1995 ineens iets nieuws opdook: de branen (van membranen, maar losgekoppeld van de klassieke twee dimensies, in het Engels branes geheten). Ze werden onmiddellijk gelinkt aan de snarentheorie. Want waar wetenschappers aanvankelijk aanvaardden dat de uiteinden van snaren zomaar losjes heen en weer zwiepten, weliswaar met de snelheid van het licht, staken ze die nu vast in branen. Snaren konden alleen daarin bewegen.

‘Branen zijn er altijd geweest, maar we hebben ze lang over het hoofd gezien’, countert Sevrin de stelling dat het misschien toch iets te gemakkelijk is om als een theorie niet klopt gewoon iets nieuws te verzinnen. ‘De initiële aanpak van de snarentheorie was te beperkt. Het is met vertraging dat we nieuwe wiskundige ingrediënten zagen, die verreikende natuurkundige gevolgen hebben. We hebben nu bijvoorbeeld niet langer vijf manieren om naar de snarentheorie te kijken, maar slechts één. Die werd ondertussen de M-theorie gedoopt, waarbij de M kan staan voor membraan, moeder, magie, mysterie of matrix _ haar doopvaders willen niet kwijt wat ze in gedachten hadden.’

EEN GROTENDEELS OVERBODIGE WERELD

De M-theorie is de jongste kandidaat om de ‘grote theorie van alles’ te worden, die zwaartekracht en kwantummechanica verzoent. Met zijn Franstalige tegenhanger Marc Henneaux en gesteund door het Francqui Fonds hield Sevrin vorig weekend een symposium in Brussel, waarop wereldexperts in de theorie, inbegrepen Hawking, aan hun nieuwste geesteskind sleutelden. ‘Een van de eerste zaken die de M-theorie opleverde, was een coherent beeld van zwarte gaten’, vertelt Sevrin. ‘Omdat de snarentheorie zwaartekracht bevat, moest ze ook zwarte gaten hebben. En inderdaad. De resultaten van berekeningen rond de M-theorie stemden exact overeen met wat de thermodynamische aanpak van Hawking indertijd had aangebracht. Voor de eerste keer kregen we een microscopisch, want kwantummechanisch, inzicht in een zwart gat. Ineens voelden we ons veel comfortabeler.’

Dat wil niet zeggen dat de problemen definitief opgelost zijn. De M-theorie lijkt perfect gezond op zowel grote als kleine schaal, maar in feite combineert ze algemene relativiteit en kwantummechanica nog altijd niet. Beide theorieën leven nu wel probleemloos naast elkaar, zonder paradoxen te genereren, maar ze vloeien nog altijd niet netjes in elkaar over. Aan de verzoening wordt hard gewerkt. ‘Een Nederlands natuurkundige lanceerde een principe dat ongetwijfeld een van de belangrijkste doorbraken van de voorbije jaren zal blijken te zijn’, verklaart Sevrin: ‘Het holografisch principe. Dat stelt het heelal voor als een zeepbel waarin alle informatie in de twee dimensies van de membraan zit. Dus zoals een hologram: drie dimensies in een plat plaatje. Wij zouden in de grenszone van een grotendeels overbodige wereld leven.’

Of, in een wat prozaïscher beeld, als vliegen op een kleverige strip in een grote kamer geplakt zitten. Het holografisch principe leverde onmiddellijk mogelijke antwoorden op twee prangende vragen uit de natuurkunde. Vooreerst slaagt het erin uit te leggen waarom de zwaartekracht zo zwak is in vergelijking met de drie fundamentele krachten die zich op het niveau van het allerkleinste manifesteren. Het verschil wordt uitgedrukt door een getal met meer dan veertig cijfers. Dat wij alleen de zwaartekracht ervaren, heeft te maken met het feit dat ze de enige kracht is die uitsluitend aantrekt _ de drie andere stoten tegelijk af.

‘Met deze vraag houdt Hawking zich tegenwoordig bezig’, zegt Sevrin, die zich met zijn ULB-collega Henneaux ook over de wiskunde van branen buigt. ‘We kunnen de dimensies uit de M-theorie niet alleen klein, maar ook zwart maken, zodat ze niet te zien zijn. Ze kunnen dan zelfs oneindig groot worden. In die optie kunnen we het heelal beschrijven als een hoop rondzwevende driedimensionele branen, maar we zien alleen de braan waar we zelf opzitten, omdat licht en de twee kernkrachten alleen óp de branen opereren. De zwaartekracht daarentegen kan van de ene braan naar de andere reiken. Bijgevolg is ze op onze braan een stuk minder sterk dan de andere krachten.’

Op analoge manier wordt verklaard waarom de kosmologische constante, waar zelfs Einstein mee in de knoop lag, zo klein is. Deze constante is de massa die in het (dan lege) heelal zou achterblijven als alle materie eruit gehaald is. De constante is niet nul: er blijft dus inderdaad een klein beetje massa achter, zodat het lege heelal niet plat is, maar lichtjes gekromd.

HELE KLEINE ZWARTE GAATJES

Mooie modellen dus, maar een wetenschappelijke theorie staat of valt met de mate waarin ze door experiment of eenvoudige waarneming getest kan worden. Niemand van de in Brussel verzamelde natuurkundigen, van Sevrin tot Hawking, twijfelde er echter aan dat in de nieuwe deeltjesversneller die in het Zwitserse Genève wordt gebouwd (de Large Hadron Collider of LHC) aanwijzingen voor de juistheid van de theorie zullen opduiken. Het zal wel een jaar of tien duren voor het zover is. ‘Onze braan-wereld levert testbare voorspellingen op, onder meer inzake nieuwe resonanties van elementaire deeltjes’, haalt Sevrin als voorbeeld aan. ‘Hawking is ervan overtuigd dat in bepaalde omstandigheden in de LHC hele kleine zwarte gaatjes zullen opduiken, die onmiddellijk een wolkje Hawking-radiatie zullen afgeven en prompt verdwijnen. Het is te hopen voor hem dat dit juist is, want dan maakt hij kans op een Nobelprijs.’

Kosmologen rekenen er ook op dat de ruimtetelescoop Hubble dingen uit het begin van het heelal zal blootleggen die de M-theorie steunen. Want dat de theorie gevolgen heeft voor de kennis van het ontstaan van onze wereld is evident. Een half jaar geleden dook een nieuw kosmologisch model in de wetenschappelijke wereld op: het ekpyrotische heelal, naar het Grieks voor ‘hevige brand’. Het is bekend dat ons heelal zo’n 15 miljard jaar geleden ‘ineens’ tot leven kwam, in wat voorlopig nog altijd de Grote Oerknal ( Big Bang) heet. Over hoe die knal zelf ontstond, heerst weinig eensgezindheid. De hand van God, is de gemakkelijkste verklaring.

Het ekpyrotische model geeft echter een beschrijving van deze ‘schepping’. Een heelal dat parallel aan het onze, maar in een onzichtbare dimensie, voortbewoog, scheurde langs onze slapende wereld en bracht zo een kolkende stroom van quarks en andere subatomaire deeltjes tot leven die later materie vormden. Concreet zou onze kosmos dus ‘gezelschap’ hebben: heelallen die in al dan niet slapende toestand als een hologram op hun braan zitten, misschien in een vijfde dimensie die wij niet kunnen zien omdat licht van andere branen ons niet bereikt. Maar omdat de zwaartekracht wel overal kan opereren, kunnen branen elkaar aantrekken en zijn botsingen tussen heelallen mogelijk.

Onze wereld is dus maar een deel van wat er bestaat. Zou het dan kunnen dat God slechts in een stukje van het Grote Geheel actief is? ‘Het ekpyrotische heelal is in ieder geval een nieuwe theorie die feilloos overgaat in de Grote Oerknal’, analyseert Sevrin. ‘Het is duidelijk dat er vóór de oerknal iets moet zijn geweest: een grote onderliggende structuur die aan de basis van alles ligt. Maar wat dat is, daar zijn we nog niet uit. Er komt uit vele hoeken kritiek op het ekpyrotische model, omdat het succes ervan sterk steunt op een scherp afgelijnde beginsituatie met een heelal dat al oneindig en uniform is. Elke afwijking van de beginvoorwaarden resulteert in een warboel.’

Hawking gelooft niet in het ekpyrotische model. Voor hem ontstond ons heelal, net als de andere, als een kwantumfluctuatie in de lege ruimte, te vergelijken met een bel in kokend water, afgelijnd maar zonder grens. Een bel met een holografische wereld op haar membraan en een hoop dimensies in haar binnenste. ‘We moeten eerlijk zijn’, besluit Sevrin, ‘Momenteel kunnen we daar niet veel ernstigs over zeggen. De voorkeur voor een of ander model is voorlopig een kwestie van smaak. Maar als de details duidelijker worden, zullen we zeker in staat zijn concrete uitspraken te doen over hoe het allemaal begon.’

Dirk Draulans

Onze kosmos zou gezelschap hebben van andere heelallen die al dan niet slapend op hun braan zitten.

Een wereld van branen verklaart waarom de zwaartekracht die wij voelen zo ongelooflijk zwak is.