Analyse anti-heelal

Welkom in het spiegeluniversum waarin de tijd achterstevoren verstrijkt en alles is opgebouwd uit antimaterie

Beeld Marloes Haarmans

Met hun theorie van een spiegeluniversum, waarin de tijd achterstevoren verstrijkt en alles antimaterie is, denken enkele prominente onderzoekers een oplossing te hebben voor enkele slepende kwesties in de kosmologie.

Kijk, daar stroomt een rivier tegen een berg op. Verderop krimpt een imposante boom langzaam maar zeker ineen tot een beukennootje. Vlinders moeten rupsen worden; vogels kruipen in hun ei. Scherven voegen zich samen tot een wijnglas, en ver weg in de kosmos spuwt een zwart gat materie de ruimte in. Welkom in het spiegeluniversum, een tegendraadse tweelingbroer van onze eigen kosmos, waarin de tijd achterstevoren verstrijkt en alles is opgebouwd uit antimaterie.

Een bizarre wereld? Ja, voor ons buitenstaanders misschien. Maar niet voor de mogelijke bewoners. Wat wij het verleden zouden noemen, is voor hen de toekomst. Zij zien gewoon bomen groeien en wijnglazen kapotvallen. En zij zouden de deeltjes waar wij uit bestaan ­‘antimaterie’ noemen. Voor hen is ons heelal een achterwaarts in de tijd evoluerende spiegelwereld.

Nee, dit is niet de plot van een nieuwe ­sciencefictionfilm. Het is de strekking van een artikel dat onlangs verscheen in Physical Review Letters. Niet afkomstig van de eerste de beste crackpot, maar van prominente theoretici van het Canadese Perimeter Institute in Waterloo, Ontario.

Onzichtbaar anti-heelal

De directeur van het instituut Neil Turok is ervan overtuigd dat het onzichtbare anti-heelal, zoals hij het meestal noemt, een elegante ­oplossing biedt voor een aantal nijpende problemen in de kosmologie. Misschien wel de meest elegante. ‘Ik heb in de loop van lange tijd al heel wat nieuwe heelalmodellen ontwikkeld’, zegt hij, ‘maar dit is het simpelste ooit. En het model doet ook nog toetsbare voorspellingen.’

Met zijn Perimeter-collega ­Latham Boyle en voormalig student Kieran Finn zette Turok in de afgelopen jaren de theorie in de steigers. Nu is het tijd om collega’s te overtuigen. Twee artikelen zijn er gepubliceerd, maar er komen er meer. Om de details verder uit te werken, en om de resterende losse eindjes aan elkaar te knopen.

Raadsel van de antimaterie

Wat zijn dat dan voor problemen, die je met zo’n anti-heelal uit de wereld helpt? Nou, bijvoorbeeld het raadsel van de antimaterie. Dat zijn deeltjes waarvan sommige eigenschappen, zoals de elektrische lading, omgekeerd zijn aan die van ‘gewone’ deeltjes. Als energie wordt omgezet in ­materie, ontstaan er altijd precies evenveel deeltjes als antideeltjes. Dat moet bij de oerknal ook zijn gebeurd. Toch bestaat ons heelal vrijwel volledig uit gewone materie; vergelijkbare hoeveelheden antimaterie zijn nooit gevonden. Niemand weet hoe dat komt.

En er is nog iets geks, zegt ­Kieran Finn, die tegenwoordig werkzaam is aan de Universiteit van Manchester. Alle bekende natuur­wetten vertonen een opmerkelijke symmetrie. Als je alle deeltjes vervangt door antideeltjes, de tijd omkeert, en het heelal in een ­spiegel bekijkt, blijven de natuurwetten gewoon geldig. ‘Maar gek genoeg vertoont het heelal zélf niet die symmetrie,’ zegt Finn. ‘Het verleden is bijvoorbeeld heel anders dan de toekomst.’ Terwijl het heelal toch door die symmetrische natuurwetten wordt geregeerd.

Beeld Marloes Haarmans

Gespiegelde tweelingbroer

Met het anti-heelal verdwijnen die problemen als sneeuw voor de zon. Het idee is simpel. Bij de oerknal, zo’n 13,8 miljard jaar geleden, ontstond niet alleen ons vertrouwde universum, maar ook die gespiegelde tweelingbroer. Met dezelfde eigenschappen en ­natuurwetten, en dus ook met sterrenstelsels, sterren en planeten. Alleen loopt de tijd er precies andersom dan bij ons, en is alles er opgebouwd uit antimaterie. Zo is het geheel weer netjes symmetrisch.

Er is trouwens geen sprake van een exacte spiegelkopie, aldus ­Turok. Op het allerkleinste niveau zijn er wel degelijk verschillen en die beïnvloeden uiteindelijk de loop van de geschiedenis. Dus nee, in het anti-heelal wordt er geen telefoongesprek gevoerd door een gespiegelde verslaggever met een achterwaarts evoluerende theoreticus. Maar in grote lijnen zien de twee heelallen er hetzelfde uit, en volgens Turok zou er in het anti-heelal heel goed leven kunnen voorkomen.

Maar toch. Gaat het hier nu echt om een serieuze beschrijving van de werkelijkheid? Of is dat hele anti-heelal gewoon een wiskundig trucje om de boel kloppend te krijgen? Finn is er duidelijk over. ‘Het is een realistisch natuurkundig model’, zegt hij. Met andere woorden: ja, het spiegelheelal zou dan even echt zijn als ons eigen universum. Of liever gezegd: het zou even echt zijn geweest, want die hele omgekeerde geschiedenis speelde zich dus vóór de oerknal af, aan de andere kant van tijdstip nul.

Turok is nog stelliger: hij noemt de nieuwe theorie veel minder onwaarschijnlijk dan allerlei andere onbewezen wetenschappelijke hersenspinsels. Zo is er de inflatiehypothese, waar veel kosmologen heilig in geloven. Die zegt dat ons heelal direct na de oerknal gedurende zeer korte tijd exponentieel snel is uitgedijd – honderd maal in grootte verdubbeld in een minieme fractie van een seconde. Of neem de populaire snaartheorie, waarin elementaire deeltjes in werkelijkheid piepkleine, trillende snaartjes zijn, in tien of elf dimensies. En dan is er nog het idee van het multiversum, met een schier oneindig aantal heelallen, allemaal met net weer iets ­andere eigenschappen.

‘Weerzinwekkend’, noemt ­Turok al die theoretische ‘gedrochten’ (ook al werkte hij ooit intensief mee aan een van de vele inflatiemodellen). ‘Met die theorieën kun je zo veel kanten op; daar valt werkelijk alles mee te verklaren – je past gewoon je ­model een beetje aan. Ze zijn ook met geen mogelijkheid te toetsen of te weerleggen. Ons anti-heelal is daarentegen uiterst eenvoudig; je hebt er geen nieuwe mysterieuze ingrediënten voor nodig.’

Donkere materie

Neem bijvoorbeeld het raadsel van de donkere materie – mysterieus, onzichtbaar spul waarvan sterrenkundigen wel de zwaartekrachtwerking zien, maar verder niets. Niemand weet waar die donkere materie uit bestaat, en er zijn tal van vergezochte verklaringen voor verzonnen, in de vorm van de meest uiteenlopende hypothetische deeltjes.

In hun publicaties rekenen ­Turok, Boyle en Finn echter voor dat de donkere materie ‘gewoon’ uit zware neutrino’s bestaat – elementaire deeltjes zonder elektrische lading, die (afgezien van de zwaartekracht) geen enkele wisselwerking vertonen met andere deeltjes. En nee, die zware, ‘steriele’ neutrino’s vormen geen nieuw ingrediënt van de kosmos, zegt Turok. Van de drie gewone typen neutrino’s is namelijk bekend dat ze een heel geringe massa hebben, en dat valt eigenlijk alleen goed te verklaren als er ook van die zware tegenhangers bestaan.

De theorie van het anti-heelal doet zelfs een vrij nauwkeurige voorspelling over de massa van die zware steriele neutrino’s. En de theorie voorspelt ook dat een van de drie gewone neutrino’s helemaal niets weegt – het is echt massaloos. Als die voorspellingen niet uitkomen, is Turok de eerste die de theorie van het anti-heelal weer in de prullenbak kiepert, zegt hij zelf. Maar veel zorgen maakt hij zich daar niet over. Recente ballonexperimenten op Antarctica, in oktober gepubliceerd in Physical Review Letters, hebben misschien zelfs al zware steriele neutrino’s waargenomen.

Beeld Marloes Haarmans

Toetsbare voorspellingen

En dat is het mooie van het nieuwe model: dat het toetsbare voorspellingen doet, aldus theoretisch fysicus Jan Pieter van der Schaar van de Universiteit van Amsterdam. Van der Schaar is voorzichtig enthousiast over de ideeën van Turok, Boyle en Finn. ‘Zoiets heb ik nog nooit eerder gezien’, zegt hij. ‘Het is heel creatief, en zeker interessant, vooral ook omdat er een potentiële verklaring wordt gegeven voor het raadsel van de donkere materie.’

Dat de Tsjechische natuurkundige Luboš Motl op zijn populaire blog The Reference Frame de vloer aanveegt met de theorie van het anti-heelal deert Turok niet in het minst. ‘Motl is niet langer actief in dit veld’, zegt hij. ‘Bovendien is hij het symptoom van een ziekte in de theoretische fysica, namelijk de puur dogmatische opstelling dat bepaalde ideeën en theorieën gewoon correct móéten zijn – in zijn geval de snaartheorie. Terwijl dat eigenlijk niet eens een echte natuurkundige theorie is, maar veel meer een wiskundige exercitie.’

Uiteindelijk zijn het de feiten die voor zich moeten spreken, wil Turok maar zeggen. ‘Ik leer mijn studenten om vooral zelf na te denken en om geen enkel dogma te accepteren – al helemaal niet van mij.’

Binnen een paar jaar, verwacht hij, is er ongetwijfeld meer duidelijkheid. Bijvoorbeeld door nieuwe nauwkeurige metingen aan de massa’s van neutrino’s. Jammer eigenlijk dat we op geen enkele manier kunnen communiceren met dat bizarre anti-heelal. Misschien hebben de achterwaarts evoluerende wetenschappers in dat spiegeluniversum de bewijzen al lang gevonden.

Oergolven

De theorie van het anti-heelal doet voorspellingen over de massa’s van neutrino’s. Maar er is nóg een manier waarop de theorie getoetst kan worden. Volgens de populaire inflatiehypothese, over de allereerste levensmomenten van het heelal, zijn er bij de oerknal zwaartekrachtgolven geproduceerd – trillingen van de lege ruimte, als gevolg van een extreem korte periode van exponentiële uitdijing. De vingerafdruk van die zwaartekrachtgolven zou nog steeds zichtbaar moeten zijn in de kosmische achtergrondstraling (de afgekoelde ‘reststraling’ van de oerknal). Er wordt druk naar gezocht, maar het signaal is tot nu toe nog nooit gedetecteerd. Maar volgens het nieuwe idee van het anti-heelal wás er helemaal geen inflatie, en zullen die ‘oergolven’ dus ook nooit gevonden worden. ‘Als ze er wél blijken te zijn, geef ik onze theorie direct op,’ aldus theoreticus Neil Turok.

Vierduizend ontdekte planeten hebben ons vooral geleerd dat we blij moeten zijn dat we niet op een planeet wonen waar het van opzij gesmolten glas regent. We maken een tour langs de meest extreme en bijzondere bestemmingen in de kosmos.

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.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden