Houdt Einsteins kosmos stand?

Volgens sommige astronomen blijken de kengetallen waarop de natuurkunde is gebaseerd toch niet constant te zijn. Iets wat verstrekkende gevolgen zou hebben.

Wim Ubachs zoekt alcohol. Methylalcohol, om precies te zijn. En niet in de wijnkelder, maar in de ruimte tussen de sterren. De hoogleraar atoom-, molecuul- en laserfysica aan de Vrije Universiteit in Amsterdam hoopt met zijn metingen Einstein onderuit te halen. Hoe? Door aan te tonen dat de natuurconstanten helemaal geen constanten zijn - wat een Nobelprijswaardig resultaat zou zijn.


Natuurconstanten zijn de onwrikbare normen en waarden van de kosmos. De lichtsnelheid blijft altijd gelijk. Aan de massa van het elektron valt niet te tornen. Dat is maar goed ook, anders zouden er geen stabiele atomen kunnen bestaan, geen sterren kunnen schijnen, en geen leven zijn.


'Alle natuurwetten worden uitgedrukt in natuurconstanten,' legt Ubachs uit. 'Als die variëren, geldt Einsteins equivalentieprincipe niet meer. Dat stelt dat de natuurwetten onafhankelijk zijn van tijd en plaats.' Met zwabberende natuurconstanten gaat Einstein onderuit, of moet de relativiteitstheorie worden herschreven.


Dit alles is misschien extreem speculatief. Maar waarom zouden de sterkten van de natuurkrachten niet kunnen veranderen? Zijn protonen altijd 1.836 keer zo zwaar geweest als het elektron? Ging het licht lang geleden misschien een tikje sneller of langzamer?


Australische sterrenkundigen betogen binnenkort in Montly Notices of the Royal Astronomical Society dat de 'fijnstructuurconstante' alfa (een maat voor de sterkte van de elektromagnetische kracht) zowel in de tijd varieert als afhankelijk is van de plaats in het heelal.


Het gaat om subtiele, maar verontrustende veranderingen. Er zijn speculatieve theorieën die kosmologische problemen 'uit de weg ruimen' door variatie in de natuurconstanten aan te nemen, maar een dwingende reden ontbreekt.


Wat de Australiërs hebben gedaan, is met grote telescopen ver terug in de tijd kijken, naar het licht van verre quasars (actieve kernen van sterrenstelsels). Dat licht doet er miljarden jaren over om op aarde aan te komen. Ze maten de golflengten van licht dat geabsorbeerd wordt wanneer bepaalde zware atomen verspringen van het ene naar het andere energieniveau. Als alfa een iets andere waarde heeft, vindt die absorptie ook bij een net iets andere golflengte plaats dan hier in het laboratorium. Zo kan een variatie in alfa boven water komen.


Het Australische team, onder leiding van Victor Flambaum en JohnWebb van de Universiteit van New South Wales in Sydney, zag in 1999 de eerste aanwijzingen, op basis van metingen aan dertig absorberende gaswolken. Het nieuwe artikel is gebaseerd op metingen aan ongeveer driehonderd van die wolken. Dat er overeenstemming was tussen waarnemingen van de Keck-telescoop op Hawaii en van de Europese Very Large Telescope (VLT) in Chili geeft extra vertrouwen. Voorlopig concluderen de onderzoekers: alfa lijkt de afgelopen miljarden jaren met zo'n 0,0001 procent te zijn toegenomen, zij het niet overal in het heelal in hetzelfde tempo.


Volgens Ubachs kan dat van groot fundamenteel belang zijn. Niemand weet waarom de natuurconstanten de waarden hebben die ze hebben, zegt hij. Terwijl we wél weten dat er geen leven in het heelal zou kunnen bestaan als alles net een beetje anders was geweest.


Tegelijkertijd: juist vanwege dat fundamentele belang moet je ervoor waken te snel conclusies te trekken. Ubachs kent het werk van de Australiërs al anderhalf jaar. Hij is onder de indruk, maar nog niet overtuigd: 'Bij dit soort onderzoek worden meetfouten vaak onderschat.'


Zelf zoekt Ubachs niet naar variaties in alfa, maar in mu - de massaverhouding tussen protonen en elektronen. Ook die zou in het verre verleden een nét iets andere waarde gehad kunnen hebben. 'Wij hebben laten zien dat een variatie in de afgelopen tien miljard jaar zeker niet groter kan zijn geweest dan 0,001 procent,' zegt Ubachs. 'Misschien moeten we nog 'dieper' kijken.'


Ook Ubachs en zijn collega's combineren waarnemingen van de telescopen Keck en de VLT, maar daarbij gaat het om één kosmische gaswolk - en om waterstofmoleculen. De alcohol wordt de nieuwe aanvalsroute, legt Ubachs uit. 'Moleculaire overgangen van methanol zijn duizend keer zo gevoelig voor variaties in mu als waterstofmoleculen.' Methanol is gevonden op 7,5 miljard lichtjaar afstand, waar je dus ook 7,5 miljard jaar terugkijkt.


Hebben Flambaum en Webb nu definitief het zwabberen van natuurconstanten aangetoond? Nee, zegt hun Amsterdamse collega. Heel nauwkeurige laboratoriummetingen komen uit op een maximaal mogelijke verandering in alfa die tien keer zo klein is als wat zij vinden, dus iets lijkt er niet te kloppen. 'Maar je kunt je voorstellen dat die variatie lang geleden, toen het heelal een hogere dichtheid had, sneller verliep.'


Zo is er voor elk experimenteel probleem wel een theoretische uitweg - wat weer niet zo gek is bij zo'n speculatief onderwerp. De Nobelprijs ligt waarschijnlijk nog wel even op de plank.


VIJF KENGETALLEN UIT DE NATUUR

Van tal van dimensieloze natuurconstanten (getallen zonder eenheid erachter, er zijn er zo'n dertig) is weliswaar bekend welke waarde ze hebben, maar niet waarom het die waarde is. Ook weet niemand zeker of sommige natuurconstanten misschien toch niet een beetje variabel zijn, zoals gesuggereerd wordt door sommige alternatieve natuurkundige theorieën. Hieronder vijf voorbeelden.


Alfa (¿)

Naam:Fijnstructuurconstante.


In de natuur: maat voor de sterkte van de elektromagnetische kracht.


Waarde: 1/137.


Betekenis:Een variatie van slechts 4% betekent dat er bij kernfusie in het heelal geen koolstof geproduceerd wordt - een basisbouwsteen voor leven.


Mu (¿)

Naam:Massaverhouding proton/elektron.


Waarde:1.836.


Betekenis:Als elektronen flink zwaarder zouden zijn, zou dat grote gevolgen hebben voor de stabiliteit van atomen en moleculen.


Lambda (¿)

Naam: Kosmologische constante.


In de natuur:relatieve energiedichtheid van het heelal in de vorm van donkere energie.


Waarde:0,73.


Betekenis:Bij een heel andere waarde zou de evolutie van het heelal compleet anders zijn verlopen, bijvoorbeeld zonder de vorming van sterren.


Epsilon (¿)

Sterkte van de sterke kernkracht.


In de natuur:deel van de massa van vier protonen dat in energie wordt omgezet bij kernfusie in helium


Waarde:0,007.


Betekenis:Kernfusiereacties produceren zonlicht, en de zware atomen waar leven van afhankelijk is. Een variatie in deze constante betekent dat kernfusie heel anders verloopt.


D

Aantal ruimtelijke dimensies in het heelal.


Waarde:3.


Betekenis:Bij een heelal met twee of vier ruimtelijke dimensies zijn geen stabiele planeetbanen mogelijk, of zelfs geen stabiele atomen.


Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.