Het grote verhaal over niets: waarom er überhaupt iets is en niet niets en andere inzichten

1. Waarom is er überhaupt iets en niet niets?

Ooit wel eens rondgekeken en uzelf afgevraagd: waarom bestaat dit alles eigenlijk? Waarom is er iets en niet niets? Dan verkeert u in goed gezelschap. Het is niet alleen een vraag die centraal staat in de historische filosofische overpeinzingen van vakgrootheden als Ludwig Wittgenstein en Martin Heidegger, maar ook een van de belangrijkste mysteriën uit de moderne natuurkunde.

Volgens de huidige stand van de wetenschap ontstond het heelal lang geleden tijdens de oerknal. Over die allereerste momenten is veel onbekend, maar dit lijkt zeker: met de geboorte van het heelal ontstond ook de eerste materie. Of, nauwkeuriger: de eerste materie én antimaterie, spul gemaakt van antideeltjes die dezelfde massa hebben als reguliere deeltjes, maar (onder meer) een tegengestelde elektrische lading kennen.

Uit het niets kunnen spontaan paren ontstaan van deeltjes en hun antideeltjes, zo weten fysici. Bovendien is het omgekeerde ook waar: botst een deeltje op zijn antideeltje, dan verdwijnen beide in een flits van energie. Annihilatie heet dat ook wel, in jargon met een zekere dramatische flair.

Maar let op, want dit is waar de wetenschap zich decennialang collectief over achter de oren krabde: als bij de oerknal materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden zijn ontstaan, zoals de natuurkundeboeken voorschreven, waarom is dan niet ál dat materiaal geannihileerd? Waarom is alles destijds niet verdwenen met een energetische poef, een heelal achterlatend gevuld met, nou ja, helemaal níéts? Waarom hebben we in plaats daarvan een universum tjokvol planeten, zwarte gaten, uitgestrekte kosmische nevels, rondzwervende kometen en, ergens in een betekenisloze uithoek, wij, de mens?

Al snel luidde de conclusie: ons bestaan is totaal onmogelijk wanneer antimaterie zich exact hetzelfde gedraagt als gewone materie. Alleen een verschil in gedrag, een subtiele voorkeur van de natuur voor de ene vorm van materie boven de andere, kan het heelal verklaren.

Dat is het probleem dat James Cronin en Val Fitch in de jaren zestig van de vorige eeuw als eersten begonnen te kraken. Zij ontdekten kleine, fundamentele gedragsverschillen tussen materie en antimaterie, CP-schending heet dat in fysicajargon. Dat leverde hun in 1980 de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

In de decennia daarna ontdekten fysici nog meer voorbeelden van zulke CP-schending. Alleen: onder de streep is dat alles nog steeds niet voldoende, zegt deeltjesfysicus Niels Tuning van het Nederlandse natuurkunde-instituut Nikhef. In totaal moet het heelal aan drie voorwaarden voldoen, de zogeheten Sakharov-condities, om de huidige kosmos te kunnen verklaren. CP-schending is een van die drie en de voorwaarde waar het succesvolste onderzoek naar wordt gedaan.

‘We kijken daar onder meer naar bij de LHCb’, zegt Tuning. Dat experiment, gekoppeld aan de Large Hadron Collider, de deeltjesversneller van het Europese natuurkunde-instituut Cern in Genève, is speciaal gebouwd om CP-schending te ontdekken bij specifieke soorten quarks, de kleinst mogelijke bouwsteentjes van onze materie. ‘Uiteindelijk zijn we vooral op zoek naar natuurkunde buiten het standaardmodel. En dit is een van meerdere manieren om daar te komen.’

Het standaardmodel waarover Tuning spreekt, is de theorie die alle deeltjes en de krachten die daarop werken vangt in een formule die past op een T-shirt of koffiemok – beide kun je overigens aanschaffen in de souvenirwinkel van het bezoekerscentrum bij Cern.

Alleen: het standaardmodel bevat nog fikse lacunes. Zo past de zwaartekracht er niet in. En je kunt er dus ook niet mee verklaren waarom het heelal überhaupt bestaat uit iets en niet uit niets. ‘In het standaardmodel bestaat geen manier om deze asymmetrie tussen materie en antimaterie geheel te verklaren’, zegt Tuning.

Steeds preciezere metingen aan deeltjes moeten de komende jaren de kleine barsten die fysici nu al in dat standaardmodel ontwaren verder openbreken. Zodat we eindelijk een van de belangrijkste raadsels over het niets – en de werkelijkheid als geheel – kunnen oplossen.

2. Is de mysterieuze ‘donkere materie’ niets, of toch iets?

Noem het maar niets: zo’n 85 procent van de massa van het universum bestaat eruit. En toch weet niemand wat het precies is. Of het überhaupt ‘iets’ is, zelfs. De enige reden dat we weten dat zogeheten donkere materie moet bestaan, is omdat het met zijn zwaartekracht aan andere dingen trekt.

Neem nu sterrenstelsels zoals onze Melkweg. Die draaien om hun centrum, zoals de aarde draait om zijn as. Maar: sterrenstelsels draaien eigenlijk te snel. Als de Melkweg een soort kosmische zweefmolen is, zwiept deze zodanig rap rond dat de kabels waarmee de stoeltjes vastzitten breken.

In die analogie bestaan de ‘kabels’ uit de zwaartekracht van alle verzamelde materie in het sterrenstelsel. En die blijkt ruim onvoldoende om de boel bij elkaar te houden. Alleen als je éxtra zwaartekracht toevoegt, veroorzaakt door voor ons onzichtbare materie, kun je de draaisnelheden van sterrenstelsels rijmen met het feit dat de sterren niet als losgerukte zweefmolenstoeltjes naar de diepe ruimte vliegen.

En dat is slechts één bewijsstuk voor het bestaan van donkere materie. Astronomen hebben er meerdere, die stuk voor stuk wijzen op ‘iets’ dat extra zwaartekracht opwekt. Wat daar dan voor zorgt? Sommigen menen, in zekere zin, helemaal niets.

Volgens hen snappen we simpelweg onvoldoende van zwaartekracht. Aanhangers van Modified Newtonian Dynamics (Mond) menen dat het antwoord op het raadsel van donkere materie simpel is: pas de bestaande zwaartekrachtwetten zodanig aan dat je geen extra ‘spul’ meer nodig hebt om de waarnemingen te verklaren, en klaar is kees. Donkere materie is dan letterlijk niets. Een begripsfoutje.

Aanhangers van de zogeheten theorie van emergente zwaartekracht, waarvan de Amsterdamse natuurkundige Erik Verlinde in Nederland de voornaamste voorvechter is, trekken vanuit andere argumenten een soortgelijke conclusie. Zij laten de zwaartekracht opborrelen uit een nog onbegrepen onderliggende laag van de werkelijkheid. Die laag bestaat volgens hen uit informatie, uit nullen en enen.

Vergelijk het met de temperatuur, stellen zij. Ook die bestaat niet echt. Temperatuur is slechts de overdrachtelijke schaduw die de bewegingen van deeltjes werpen in onze menselijke belevingswereld. Bewegen de deeltjes in bijvoorbeeld water relatief snel, dan voelen wij dat als ‘warm’. Bewegen ze relatief langzaam dan lijkt het juist ‘koud’. Maar op fundamenteel niveau bestaan ‘warm’ en ‘koud’ niet, alleen die bewegende deeltjes.

Wie analoog de zwaartekracht beschouwt als het gedans van nullen en enen op een fundamenteler werkelijkheidsniveau, krijgt onder de streep zwaartekrachtwetten die nét iets anders zijn dan Einstein ooit had bepaald. Opnieuw bestaat donkere materie dan niet echt, maar blijkt het slechts een fata morgana afkomstig uit een deel van de werkelijkheid dat we nog niet geheel begrijpen.

Toch denken de meeste fysici dat donkere materie niet niets is, maar íéts. Deeltjes in dit geval. ‘Dat is nog altijd de meest aannemelijke verklaring’, zegt fysicus Patrick Decowski (Nikhef). Zelf werkt hij onder meer bij donkerematerie-experiment XenonnT, een grote bol gevuld met 8 ton vloeibaar xenon.

Botst ergens in die bol een donkeremateriedeeltje op een xenonatoom, dan veroorzaakt dat een meetbaar lichtflitsje. Althans: als dat botsende deeltje een wimp is, een Weakly Interacting Massive Particle. Zulke wimps zijn de belangrijkste kandidaatdeeltjes voor donkere materie, ook nu experimenten nog altijd niets hebben gevonden.

Want niet alleen XenonnT heeft nog niet beet, ook het concurrerende LZ-experiment, in de Amerikaanse staat South Dakota, met 10 ton xenon aan boord, heeft nog niets gezien. ‘Maar we zijn ook pas een paar maanden bezig op de huidige gevoeligheid’, zegt Decowski. ‘In totaal willen we een jaar of vier aan metingen verrichten.’

Dat gebeurde eerder met de minder gevoelige voorlopers van de huidige experimenten, zoals Xenon1T, dat donkere materie hoopte te betrappen met 3,5 ton xenon. Bij dat experiment was zelfs kortstondig sprake van opwinding, nadat er voorzichtige aanwijzingen waren gezien voor botsingen met een andere donkeremateriekandidaat, zogeheten axionen.

Een hobbel in een grafiek, meer was het nog niet, maar media over de hele wereld begonnen er direct over te schrijven, overigens meestal met de nodige slagen om de arm. Terecht, het liep uiteindelijk met een sisser af. ‘In de meetgegevens met onze nieuwe detector is het signaal weer verdwenen’, zegt Decowski. Vermoedelijk was de hobbel afkomstig van heel lichte vervuiling van het xenon met een ander deeltje, tritium, dat een vals signaal kan opleveren. ‘In XenonnT hebben we veel moeite gedaan om tritium uit te sluiten’, zegt hij.

Hoewel donkerematerie-experimenten nog altijd letterlijk in het duister tasten, kan men binnenkort gerust alsnog beet hebben, benadrukt Decowski. Als wimps echt bestaan, weet namelijk niemand hoe moeilijk ze op andere deeltjes botsen. En hoe zeldzamer die interactie met ‘gewone’ materie, hoe meer xenon je nodig hebt om zo’n deeltje te betrappen. ‘We hebben al besloten dat we voor de volgende generatie detectoren gaan samenwerken met onze Amerikaanse soort-van concurrenten’, zegt Decowski. ‘We gaan de sterkste punten van beide experimenten over een paar jaar samenvoegen in een detector met 50 ton xenon.’ Zodat men definitief kan aantonen dat wat van een afstandje misschien niets lijkt, uiteindelijk heus iets is.

3. Zullen we ooit letterlijk verdwijnen in het niets?

Voor wie nog niet existentieel murw gebeukt is door slecht nieuws over klimaatverandering en oorlog, het kán nog erger: alles om ons heen kan plots gereduceerd worden tot helemaal niets. Als het even tegenzit zelfs nog voor u het eind van deze alinea heeft gehaald. Dat blijkt althans uit een verzameling minder gezellige vakpublicaties die theoretisch natuurkundigen de afgelopen decennia schreven over het niets. Of, exacter: over het vacuüm, de lege ruimte.

Tijdens de vorige eeuw kregen fysici steeds beter in de gaten dat de lege ruimte niet echt leeg is. Sterker nog: die zit bomvol. Niet met voorwerpen of zoiets tastbaars, maar met velden, waarvan het elektromagnetische veld vermoedelijk het bekendste voorbeeld is. Wanneer zulke velden hun laagst mogelijke energie hebben, zijn ze, in jargon, in hun grondtoestand. Fysici zeggen dan ook wel dat ze het ‘ware vacuüm’ bereiken.

Maar, zo ontdekten fysici vorige eeuw: vermoedelijk hebben de meeste velden die we kennen meer dan één mogelijke grondtoestand. Misschien zijn er ook ‘metastabiele toestanden’ mogelijk. Vergelijk het met een richel waarop je blijft haken wanneer je van een berg glijdt. Op die richel kun je blijven liggen totdat je met wat pech – een aardverschuiving, een fikse windvlaag – plots naar de bodem kukelt.

Precies zo zou het kunnen gaan met de velden in ons heelal. En het vervelende is: ze nemen dan misschien de elementaire deeltjes, als het even tegenzit zelfs alles, met zich mee in hun val.

In de quantumveldentheorie, zoals de naam luidt van de natuurkunde die zulk veldgedrag beschrijft, kun je deeltjes namelijk zien als kleine rimpelingen in zo’n veld. En een van de velden waarvan fysici vermoeden dat deze zich in een metastabiele toestand bevindt, is het higgsveld, waarin het higgsdeeltje opduikt als rimpeling, het deeltje dat als sleutelstuk uit het standaardmodel de andere deeltjes hun massa geeft. Gum je dat deeltje plotseling uit de werkelijkheid doordat het higgsveld uit z’n huidige toestand valt, dan stort die werkelijkheid direct als een kaartenhuis in. Alles om je heen, inclusief jezelf, houdt meteen op te bestaan.

En het higgs is niet het enige deeltje dat zoiets kan overkomen. Met elk metastabiel veld dat instort, gum je een ander deeltje uit de kosmische blauwdruk van de werkelijkheid. Floep: daar gaat het elektron! Zap: zeg maar dag tegen het quark! Ook met hen verdwijnt al snel de stabiliteit van alles om ons heen.

Alsof dat nog niet erg genoeg is, is er zelfs een groep natuurkundigen die rekent aan iets dat ze met ogenschijnlijk sadistisch genoegen ‘de bel van het niets’ hebben gedoopt, een naam die er redelijk in slaagt de breinpijnigend complexe achtergrond van dat idee te verhullen.

Hier, dan toch, een poging. Sommige theorieën over het heelal, zoals de snaartheorie, stellen dat de kosmos meer bevat dan de bekende drie ruimtedimensies plus een van de tijd. Soms heeft het heelal er plots vijf, of zelfs twaalf. Totaal bizar en nog geheel onbewezen, maar áls het klopt, dan kan zo’n extra dimensie ons ook zomaar de kop kosten.

Dat begint met quantumfluctuaties, kleine trillingen in de werkelijkheid zelf, die de opgekrulde minidimensies uit zulke theorieën plots verder kunnen laten oprollen totdat ze verdwijnen in een punt. Wanneer dat gebeurt, wordt het heelal op die plek extreem onstabiel. Het resultaat: een snel uitdijende bol van letterlijk niets die de kosmos uiteindelijk geheel verzwelgt.

Toch maakt theoretisch natuurkundige Jan Pieter van der Schaar (Universiteit van Amsterdam) zich naar eigen zeggen geen zorgen. ‘Ik lig er niet wakker van’, meldt hij droogjes. Wellicht zijn zulke gebeurtenissen zodanig zeldzaam dat je ze pas hoeft te verwachten op tijdschalen veel groter dan de leeftijd van het heelal, denkt hij.

Vandaar dat hij meer bezig is met wat zulke inzichten betekenen voor ons begrip van het universum dan voor de vernietiging ervan. ‘Vanuit het perspectief van de natuurkunde is dit gewoon heel interessant’, zegt hij. ‘Juist omdat de stabiliteit van ons heelal consequenties heeft voor bijvoorbeeld natuurkunde voorbij het standaardmodel.’

De kosmos kan ons dan straks misschien wel rücksichtslos het niets inslurpen, dan hebben we er mooi wel wat van geleerd.