Thomas Hertog brengt wetenschap en kunst bij elkaar: ‘Ook de kosmos wordt gestuurd door toeval’

In de Leuvense universiteitsbibliotheek is een intrigerende tentoonstelling te zien over de grote oerknal en het begin van de tijd. ‘We hebben kunst nodig om ons wereldbeeld grondig te kunnen herdenken’, zegt curator en theoretisch fysicus Thomas Hertog.

Over een oud schilderij van de kruisiging van Christus glijden sterachtige flikkeringen. Ze komen van een grote draaiende spiegelbol waarop twee spots zijn gericht. Totality heet het werk van de Schotse kunstenares Katie Paterson, die er alle gedocumenteerde zonsverduisteringen uit de geschiedenis mee wil evoceren. ‘Zonsverduisteringen behoren tot de oerervaringen over onze plaats in de kosmos’, vertelt Thomas Hertog, theoretisch fysicus aan de KU Leuven en curator van de tentoonstelling Voorbij de oerknal in de universiteitsbibliotheek. Hertog was twintig jaar lang naaste medewerker van de wereldvermaarde Britse wetenschapper Stephen Hawking, bekend van zijn briljante geest in een aftakelend lichaam – de man overleed in 2018 aan de gevolgen van de ziekte ALS. ‘Zonsverduisteringen veroorzaakten soms paniek in gemeenschappen, die dan offers brachten om de goden gunstig te stemmen. Veel volkeren hadden wel een eigen voorstelling van de grote wereld waarin ze leefden. Het is duidelijk des mensen om een allesomvattend, coherent wereldbeeld te creëren.’

Kunst en wetenschap gaan hand in hand op de expo. ‘De combinatie met kunst haalt de kosmologie uit het keurslijf van de klassieke fysica’, zegt Hertog. ‘We hebben kunst nodig om ons wereldbeeld grondig te kunnen herdenken. Daarom hangt er bijvoorbeeld een werk van de Belgische surrealist René Magritte op de tentoonstelling, iemand die als geen ander het begrip van de objectieve realiteit op de helling kon zetten. Het is belangrijk dat ook wetenschappers, en zeker kosmologen, dat blijven doen. Wetenschap vertelt ons veel over onze plaats in het heelal. Maar ze vertelt ons niet hoe we moeten leven.’

T=0

De tentoonstelling is ook een eerbetoon aan het werk van de Belgische priester Georges Lemaître, die in de eerste helft van de vorige eeuw op amper een kilometer van de universiteitsbibliotheek een aantal baanbrekende ontdekkingen deed. ‘De ontdekkingstocht naar de grote oerknal als begin van alles begon in 1915 met de relativiteitstheorie van Albert Einstein’, legt Hertog uit. ‘Zijn formule koppelde tijd aan ruimte en materie. Maar Einstein zette nooit de stap die nodig was om los te komen van het idee van een statisch heelal dat we kenden van die andere grootheid, Isaac Newton. Lemaître, die wat jonger was dan Einstein, keek met een meer onbevangen blik naar Einsteins formule en kwam tot de conclusie dat het heelal moest uitdijen. Dat was niet minder dan revolutionair.’

De originele grafieken die Lemaître in 1929 tekende van dat uitdijende heelal zijn op de expo aanwezig. Hij had meerdere denksporen, maar koos voor een soort gulden middenweg die hij het ‘aarzelende heelal’ doopte, omdat het eerst snel uitdijde, daarna trager en vervolgens weer sneller. ‘In die tijd was Lemaître de enige in de wereld die geloofde in een uitdijend heelal’, stelt Hertog. ‘Hij had er in 1927 met Einstein over gepraat, maar die had hem toen vierkant uitgelachen. De kers op de taart op de grafieken is de formule t=0 die hij onder het beginpunt van zijn lijnen schreef. De tijd is er nul. Het was het begin van alles, de eerste referentie ooit aan wat later de grote oerknal zou gaan heten.’

Als priester kreeg Lemaître meteen het verwijt dat hij wiskundig manoeuvreerde om God en de schepping in de kosmologie te smokkelen door ‘een begin’ te postuleren. ‘Terwijl hij net de eerste was die een soort indeterminisme in de kosmologie bracht door ze te bekijken vanuit het standpunt van de kwantumtheorie die toen in volle ontwikkeling was’, benadrukt Hertog. ‘De kwantumtheorie werd ontwikkeld om het gedrag van de allerkleinste deeltjes te beschrijven, maar Lemaître zag in dat ze ook relevant kon zijn voor de grootste structuren. Hij schreef er een brief zonder één formule over naar het wetenschappelijke tijdschrift Nature, dat hem op 21 maart 1931 publiceerde. De titel was: The beginning of the world from the point of view of quantum theory. Hij omschreef er de grote oerknal enigszins abstract en poëtisch in als een oeratoom.’

Op de expo is de originele brief naar Nature te zien, inbegrepen de laatste paragraaf die Lemaître op de valreep schrapte. Die ging als volgt (in vrije vertaling): ‘God kan blij zijn te zien dat de huidige fysica een sluier verschaft om zijn schepping te verbergen.’ Waarom hij de zin schrapte, is niet bekend. ‘Maar het is duidelijk dat Lemaître zich goed bewust was van de grenzen van religie en wetenschap’, zegt Hertog. ‘Hij verwarde ze niet met elkaar, maar zag wel een soort verzoening tussen de twee in de metafysica, die veel filosofischer van aard is en dus beter geschikt voor dat soort denkoefeningen dan de gewone fysica.’

Fossiele overblijfselen

Behalve talloze kunstwerken die verwondering opwekken, presenteert de expo ook memorabilia uit de geschiedenis van de kosmologie, inbegrepen de allereerste computer waarmee Lemaître op zoek ging naar fossiele overblijfselen van de grote oerknal – die hij niet vond. Er hangt een iconisch krijtbord waarop Stephen Hawking zijn hersenspinsels noteerde, tegenover een kunstwerk dat een deel van een krijttekening die Einstein in 1931 op een bord kribbelde zo sterk uitvergroot dat het een sterrenstelsel lijkt te zijn geworden. ‘Theoretische fysici werken ook nu nog met krijt en bord’, grinnikt Hertog. ‘Het is ideaal voor creatief en ongericht onderzoek.’

Vanaf 1965 kwam het onderzoek naar de kosmos en de grote oerknal in een stroomversnelling. Toen werd de kosmische achtergrondstraling ontdekt, die een overblijfsel zou zijn van het jonge heelal. Lemaître hoorde op zijn sterfbed van de ontdekking. Een van zijn discipelen kon hem er nog over informeren, waarna de stervende man gemurmeld zou hebben: ‘ Je suis content. Maintenant on a la preuve.‘ In 1965 verscheen ook Hawking op het toneel, met zijn wiskundige bewijs dat Lemaîtres t=0 ‘onvermijdelijk’ was.

Hawking durfde ook weleens de flauwe grapjas uit te hangen. Hij organiseerde op 28 juni 2009 een feestje, waarvoor hij de uitnodigingen pas achteraf rondstuurde. De achterliggende gedachte was dat als mensen in de toekomst terug in de tijd zouden kunnen reizen, iemand op dat feest zou opduiken. Maar er kwam niemand. ‘Hawking maakte in die tijd ook een sluitend kwantummodel van de grote oerknal, inbegrepen de creatie van ruimte en tijd’, vertelt Hertog. ‘De kwantumtheorie stelt ons in staat om het heelal van binnenuit te bekijken, als iets waar we deel van uitmaken, en niet als een buitenstaander. Dat is uitermate belangrijk gebleken voor een beter begrip van de kosmos en zijn ontstaan.’

Hertog is een belangrijke promotor geworden van wat hij een evolutionaire visie op de grote oerknal en het heelal noemt: ‘De sleutel daarvan is te vergelijken met de eenvoudige levensboom die Charles Darwin ooit in een notitieboekje tekende, als eerste indicatie van het evolutieverhaal waarop hij zat te broeden. Lemaître had overigens ook van die notitieboekjes, hij had er altijd eentje in zijn borstzak zitten om er gedachten in op te schrijven. Zijn heelallijn met de notie t=0 is ooit in zo’n boekje opgedoken.’

Nu ziet Hertog het heelal als iets wat begon zonder wetten, waarna er vertakkingen van natuurwetten kwamen, mede gedirigeerd door een spel van toeval. Dat is een ketterij in de fysica, want die aanvaardt geen toeval en evolutie van haar wetmatigheden. Het is vreemd dat biologen geen enkel probleem hebben met toevalligheden in de evolutie van het leven, terwijl veel natuurkundigen halsstarrig vasthouden aan harde en onwrikbare wetmatigheden.

Donkere energie

Een toevalstreffer is bijvoorbeeld het gegeven dat Lemaîtres ‘aarzelend heelal’ de realiteit werd. Als het na de knal te snel was uitgedijd, zou het nooit sterrenstelsels en dus leven hebben kunnen genereren. Als het te snel weer was gekrompen, was er geen tijd geweest voor de vorming van sterrenstelsels. Kosmologen stelden vast dat de laatste 3 tot 4 miljard jaar – de grote oerknal zou zo’n 13 tot 14 miljard jaar geleden hebben plaatsgevonden – de uitdijing van het heelal weer versnelt, na een tijdelijke vertraging, precies zoals Lemaître had voorspeld. Ook dat zou, volgens Hertog, het gevolg van een toevalstreffer kunnen zijn, zoals een extreem kleine hoeveelheid donkere energie die als een ether het heelal vult en een vorm van inflatie zou genereren. ‘Donkere energie, die we nog altijd niet hebben gevonden, is a priori vreemd’, zegt Hertog. ‘Maar je verwacht ze wel in een darwinistische visie van de kosmos.’

We hebben dus geluk gehad met het heelal dat is ontstaan, maar als er een ander was geweest had niemand zich daarover druk hoeven te maken, want er zou niemand geweest zijn. ‘Niemand stelt zich vragen bij het feit dat als je de evolutie van het leven zou kunnen terugdraaien en opnieuw laten beginnen, de kans groot is dat er nooit mensen zoals wij zouden ontstaan’, stelt Hertog. ‘Niet alleen wij zijn een toevalstreffer, maar ook het heelal dat ons mogelijk heeft gemaakt. Het wordt tijd dat kosmologen dat idee ernstig nemen.’

De kosmologische evolutie begint bij de grote oerknal met het ontstaan van tijd en zwaartekracht, gevolgd door de krachten van de donkere materie, de nucleaire krachten en ten slotte het elektromagnetisme. Als je de weg terug volgt, verdwijnen de natuurwetten bij de grote oerknal. ‘Dat heeft tot dusver nooit iemand in de natuurkunde aangedurfd’, zegt Hertog. ‘Maar het vasthouden aan onveranderlijke wetten heeft de kosmologie helemaal in de knoop gedraaid. Natuurkundigen moeten halsbrekende toeren uithalen om hun modellen in overeenstemming te brengen met de waarnemingen. Het lijkt me zo veel eenvoudiger om Lemaîtres briljante idee van kosmische evolutie door te drijven en zowel tijd als wetten in het begin te laten verdwijnen.’

Betekent het feit dat de tijd verdwijnt in de grote oerknal dat er niets voor die knal kon zijn? ‘In ons model zeker’, antwoordt Hertog. ‘Er circuleren andere heelalmodellen die de grote oerknal proberen weg te gommen, zoals dat van een heelal dat cyclisch uitdijt en weer inkrimpt tot een punt 0, om dan opnieuw te beginnen, met een cyclus van zo’n 100 miljard jaar. Of de notie van twee parallelle heelallen met elk een tijd die in de tegenovergestelde richting van de andere loopt. Einstein en Lemaître hadden het al over de kwestie of er toch geen manier was om als het ware voorbij de grote oerknal te raken. Lemaître probeerde het, maar het lukte hem niet. De oerknal leek toen al onvermijdelijk. Het is goed dat men vandaag nog altijd probeert om eronderuit te komen, maar mijn aanvoelen is dat het nergens toe zal leiden.’

Kosmologie van morgen

De tentoonstelling blikt ook vooruit. Naast een indrukwekkende installatie waarin de Britse kunstenares Suzanne Treister liefst 25.000 historische kunstwerken in niet-chronologische volgorde in een soort holografische vorm heeft verwerkt, staat een deel van een instrument dat, volgens Hertog, de meest precieze spiegel ter wereld is, hoewel je jezelf er niet in kunt zien. Hij is speciaal ontworpen voor de detectie van zwaartekrachtgolven: de voorlopig amper waarneembare trillingen van het weefsel van tijd en ruimte in het heelal. Pas sinds kort kunnen wetenschappers zwaartekrachtgolven waarnemen, die bijvoorbeeld ontstaan door de versmelting van twee zwarte gaten: enorm zware hemelstructuren die zelfs licht opslokken, zodat we ze niet rechtstreeks kunnen zien.

Wetenschappers zijn al sinds de jaren 1980 in de weer om een stelsel van drie satellieten te ontwikkelen dat ze, in het kader van een project van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, in het begin van de jaren 2030 hopen te lanceren. Het zou aan de lopende band zwaartekrachtgolven moeten detecteren. ‘Het is de heilige graal van de kosmologie van morgen’, poneert Hertog onomwonden. ‘De voorbije honderd jaar hebben we de kosmos bestudeerd aan de hand van lichtgolven, nu moeten we de zwaartekrachtgolven vinden. Als we ooit meer willen weten over wat er bij de grote oerknal is gebeurd, moeten we de ruimtetrillingen waarmee die gepaard ging te pakken krijgen. Het is een geweldige uitdaging, maar het is de enige manier om de evolutie van het prille heelal in kaart te kunnen brengen.’

Hertog vindt het niet frustrerend dat hij tientallen jaren bezig zal zijn geweest om een concreet experiment te lanceren, waarmee hij zijn ideeën zou kunnen staven. Maar hij hoopt wel dat hij, net als Lemaître, nog voor zijn dood te horen zal krijgen dat er bewijs is gevonden voor het theoretische werk waaraan hij een groot deel van zijn leven wijdde. Gelukkig is hij nog maar 46 jaar. Er is dus nog wat tijd.