Dit is waarom het Multiversum moet bestaan

Kijk zo ver je wilt in het Universum, met willekeurig krachtige technologie, en je zult nooit een rand vinden. De ruimte gaat zo ver als we kunnen zien, en overal waar we kijken zien we dezelfde dingen: materie en straling. In alle richtingen vinden we dezelfde tekenen van een uitdijend heelal: de overgebleven straling van een hete, dichte toestand; sterrenstelsels die evolueren in grootte, massa en aantal; elementen die van samenstelling veranderen naarmate sterren leven en sterven.

Maar wat ligt er voorbij ons waarneembare heelal? Is er een afgrond van niets voorbij de lichtsignalen die ons sinds de oerknal mogelijkerwijs hebben kunnen bereiken? Is er gewoon meer heelal zoals het onze, daarbuiten voorbij onze waarneembare grenzen? Of is er een Multiversum, mysterieus van aard en voor altijd onzichtbaar?

Tenzij er iets ernstig mis is met ons begrip van het heelal, moet het Multiversum het antwoord zijn. Hier volgt waarom.

Het Multiversum is een uiterst controversieel idee, maar in de kern is het een zeer eenvoudig concept. Net zoals de Aarde geen speciale positie in het Universum inneemt, noch de Zon, de Melkweg of enige andere locatie, gaat het Multiversum nog een stap verder en beweert dat er niets speciaals is aan het gehele zichtbare Universum.

Het Multiversum is het idee dat ons Universum, en alles wat zich daarin bevindt, slechts een klein onderdeel is van een grotere structuur. Deze grotere entiteit omvat ons waarneembare heelal als een klein deel van een groter heelal dat zich uitstrekt voorbij de grenzen van onze waarnemingen. Die hele structuur – het onwaarneembare Universum – kan zelf deel zijn van een grotere ruimtetijd die vele andere, losgekoppelde Universa omvat, die al dan niet vergelijkbaar kunnen zijn met het Universum waarin wij leven.

Als dit het idee van het Multiversum is, kan ik je scepsis begrijpen over het idee dat we op de een of andere manier zouden kunnen weten of het wel of niet bestaat. Per slot van rekening zijn natuur- en sterrenkunde wetenschappen die steunen op meetbare, experimentele, of anderszins waarneembare bevestiging. Als we op zoek zijn naar bewijs voor iets dat buiten ons zichtbare Universum bestaat en daarbinnen geen sporen nalaat, lijkt het idee van een Multiversum fundamenteel ontestbaar.

Maar er zijn allerlei dingen die we niet kunnen waarnemen, maar waarvan we wel weten dat ze waar moeten zijn. Tientallen jaren voordat we gravitatiegolven rechtstreeks konden waarnemen, wisten we dat ze moesten bestaan, omdat we de effecten ervan waarnamen. Van binaire pulsars – rond elkaar draaiende neutronensterren – werd waargenomen dat hun omwentelingsperioden korter werden. Iets moet energie wegvoeren, en dat iets kwam overeen met de voorspellingen van gravitatiegolven.

Hoewel we zeker blij waren met de bevestiging die LIGO en Virgo gaven voor zwaartekrachtgolven via directe detectie, wisten we al dat ze moesten bestaan vanwege dit indirecte bewijs. Degenen die beweren dat indirect bewijs geen aanwijzing is voor het bestaan van gravitatiegolven, zijn er wellicht nog steeds niet van overtuigd dat binaire pulsars deze golven uitzenden; LIGO en Virgo hebben de gravitatiegolven niet gezien die afkomstig zijn van de binaire pulsars die wij hebben waargenomen.

Dus als wij het Multiversum niet rechtstreeks kunnen waarnemen, welk indirect bewijs hebben wij dan voor zijn bestaan? Hoe weten we dat er meer onwaarneembaar heelal is buiten het deel dat we kunnen waarnemen, en hoe weten we dat wat wij ons heelal noemen waarschijnlijk slechts een van de vele is die in het Multiversum zijn ingebed?

We kijken naar het heelal zelf, en trekken conclusies over de aard ervan op basis van wat waarnemingen daarover aan het licht brengen.

Als we naar de rand van het waarneembare heelal kijken, zien we dat de lichtstralen die vanaf de vroegste tijden worden uitgezonden – van de Kosmische Microgolf Achtergrond – bijzondere patronen aan de hemel vormen. Deze patronen onthullen niet alleen de dichtheids- en temperatuurschommelingen waarmee het heelal is ontstaan, en de materie- en energiesamenstelling van het heelal, maar ook de geometrie van de ruimte zelf.

We kunnen hieruit concluderen dat de ruimte niet positief gekromd (als een bol) of negatief gekromd (als een zadel) is, maar eerder ruimtelijk vlak, wat aangeeft dat het niet waarneembare heelal zich waarschijnlijk veel verder uitstrekt dan het deel waar wij bij kunnen. Het kromt zich nooit in zichzelf, het herhaalt zich nooit, en het heeft geen lege gaten. Als het gekromd is, heeft het een diameter die honderden malen groter is dan het deel dat wij kunnen zien.

Met elke seconde die voorbijtikt, wordt er meer heelal, net als het onze, aan ons onthuld, in overeenstemming met dit beeld.

Dat zou erop kunnen wijzen dat er meer onwaarneembaar heelal is buiten het deel van ons heelal waartoe we toegang hebben, maar het bewijst het niet, en het levert geen bewijs voor een Multiversum. Er zijn echter twee concepten in de natuurkunde die ver boven redelijke twijfel verheven zijn: kosmische inflatie en kwantumfysica.

Kosmische inflatie is de theorie die aanleiding gaf tot de hete Oerknal. In plaats van te beginnen met een singulariteit, is er een fysieke limiet aan hoe heet en hoe dicht de eerste, vroege stadia van ons uitdijende heelal hadden kunnen zijn. Als we in het verleden willekeurig hoge temperaturen hadden bereikt, zouden er duidelijke tekenen zijn die er niet zijn:

• temperatuurfluctuaties met een grote amplitude in een vroeg stadium,
• dichtheidsfluctuaties beperkt door de schaal van de kosmische horizon,
• en overblijfselen van hoge energie uit vroege tijden, zoals magnetische monopolen.

Deze signaturen ontbreken allemaal. De temperatuurfluctuaties liggen op het niveau van 0,003%; de dichtheidsfluctuaties overschrijden de schaal van de kosmische horizon; de grenzen aan monopolen en andere relikwieën zijn ongelooflijk streng. Het feit dat deze signaturen er niet zijn heeft een enorme implicatie: het heelal heeft nooit die willekeurig hoge temperaturen bereikt. Er is iets anders aan de hete oerknal voorafgegaan om dit op te zetten.

Daar komt de kosmische inflatie om de hoek kijken. Deze theorie, die begin jaren tachtig van de vorige eeuw werd ontwikkeld, was bedoeld om een aantal problemen met de oerknal op te lossen, maar deed ook wat je van elke nieuwe natuurkundige theorie zou hopen: hij deed meetbare, toetsbare voorspellingen voor waarneembare kenmerken die in ons heelal zouden verschijnen.

We zien het voorspelde gebrek aan ruimtelijke kromming; we zien een adiabatisch karakter van de fluctuaties waarmee het heelal is geboren; we hebben een spectrum en een omvang van initiële fluctuaties ontdekt die overeenkomen met de voorspellingen van de inflatie; we hebben de superhorizonfluctuaties gezien die volgens de inflatie moeten ontstaan.

We weten misschien niet alles over de inflatie, maar we hebben wel een zeer sterke reeks bewijzen die een periode in het vroege heelal waarin die inflatie plaatsvond, ondersteunt. Inflatie heeft de oerknal doen ontstaan en voorspelt een reeks en een spectrum van fluctuaties die hebben geleid tot de kiemen van structuren die zijn uitgegroeid tot het kosmische web dat we vandaag de dag waarnemen. Alleen inflatie, voor zover wij weten, geeft ons voorspellingen voor ons heelal die overeenkomen met wat wij waarnemen.

“Dus, big deal,” zou je kunnen zeggen. “Je hebt een klein gebied van de ruimte genomen, je hebt de inflatie toegestaan om dat uit te breiden tot een heel groot volume, en ons waarneembare, zichtbare heelal bevindt zich in dat volume. Zelfs als dit in orde is, vertelt dit ons alleen maar dat ons onwaarneembare Universum zich veel verder uitstrekt dan het zichtbare deel. Je hebt het Multiversum helemaal niet vastgesteld.”

En dat zou allemaal juist zijn. Maar vergeet niet dat we er nog een ingrediënt aan moeten toevoegen: de kwantumfysica.

Inflatie wordt behandeld als een veld, net als alle kwanta die we in het heelal kennen, en gehoorzaamt aan de regels van de kwantumveldentheorie. In het kwantum-heelal zijn er veel contra-intuïtieve regels waaraan wordt gehoorzaamd, maar de meest relevante voor ons doel is de regel die de kwantum-onzekerheid regelt.

Terwijl wij onzekerheid conventioneel beschouwen als wederzijds optredend tussen twee variabelen – momentum en positie, energie en tijd, impulsmoment van wederzijds loodrechte richtingen, enz. – is er ook een inherente onzekerheid in de waarde van een kwantum-veld. Met het voortschrijden van de tijd heeft een veldwaarde die vroeger definitief was, nu een minder zekere waarde; je kunt er alleen waarschijnlijkheden aan toekennen.

Met andere woorden, de waarde van elk kwantumveld spreidt zich uit in de loop van de tijd.

Nu, laten we dit combineren: we hebben een opblazend heelal, aan de ene kant, en kwantumfysica aan de andere kant. We kunnen ons de inflatie voorstellen als een bal die heel langzaam over een vlakke heuvel rolt. Zolang de bal op de top van de heuvel blijft, gaat de inflatie door. Wanneer de bal echter het einde van het vlakke gedeelte bereikt, rolt hij naar beneden in het dal eronder, waar de energie van het inflatieveld zelf wordt omgezet in materie en energie.

Deze omzetting betekent het einde van de kosmische inflatie door middel van een proces dat bekend staat als heropwarming, en het geeft aanleiding tot de hete Oerknal die we allemaal kennen. Maar het zit zo: als het heelal opgeblazen wordt, verandert de waarde van het veld langzaam. In verschillende opblazende regio’s verspreidt de waarde van het veld zich willekeurig in verschillende hoeveelheden en in verschillende richtingen. In sommige regio’s eindigt de inflatie snel, in andere langzamer.

Dit is het sleutelpunt dat ons vertelt waarom een Multiversum onvermijdelijk is! Waar de inflatie meteen ophoudt, krijgen we een hete oerknal en een groot heelal, waarvan een klein deel misschien lijkt op ons eigen waarneembare heelal. Maar er zijn andere gebieden, buiten het gebied waar de inflatie ophoudt, waar de inflatie langer doorgaat.

Waar de kwantumverspreiding op precies de juiste manier plaatsvindt, kan de inflatie ook daar ophouden, waardoor er een hete oerknal ontstaat en een nog groter heelal, waarvan een klein deel misschien wel lijkt op ons waarneembare heelal.

Maar de andere gebieden blijven niet alleen opblazen, ze groeien ook nog. Je kunt de snelheid berekenen waarmee de opgeblazen regio’s groeien en die vergelijken met de snelheid waarmee nieuwe Universa worden gevormd en hete Oerknallen plaatsvinden. In alle gevallen waarin inflatie je voorspellingen geeft die overeenkomen met het waargenomen heelal, groeien nieuwe heelallen en nieuw opblazende regio’s sneller dan de inflatie tot een einde kan komen.

Dit beeld, van enorme Universa, veel groter dan het schamele deel dat voor ons waarneembaar is, die voortdurend worden geschapen in deze exponentieel opblazende ruimte, is waar het Multiversum om draait. Het is geen nieuwe, toetsbare wetenschappelijke voorspelling, maar veeleer een theoretisch gevolg dat onvermijdelijk is, gebaseerd op de wetten van de natuurkunde zoals die vandaag de dag worden begrepen. Of de natuurkundige wetten in die andere Universa identiek zijn aan de onze is onbekend.

Als je een inflatoir Universum hebt dat wordt beheerst door de kwantumfysica, is een Multiversum onvermijdelijk. Zoals altijd verzamelen we voortdurend zo veel mogelijk nieuw, overtuigend bewijs om de hele kosmos beter te begrijpen. Het kan blijken dat de inflatie verkeerd is, dat de kwantumfysica verkeerd is, of dat de manier waarop wij deze regels toepassen een fundamentele fout vertoont. Maar tot nu toe klopt alles. Tenzij we iets verkeerd hebben, is het Multiversum onvermijdelijk, en het Universum waar wij in leven is daar slechts een minuscuul deel van.