In een flits was het heelal een centimeter groot

Het beeld dat de Europese ruimtetelescoop Planck in 2010 maakte van de kosmische achtergrondstraling, het licht dat vrijkwam 380.000 jaar na de oerknal. Het gespikkelde patroon, aan de boven- en onderkant, geeft de variatie in sterkte weer: die is ongeveer 1 op 100.000. De wolkstructuur in het midden wordt veroorzaakt door gas en stof in de Melkweg.Beeld ESA

Vlak na de oerknal heeft het heelal zich in een fractie van een seconde opgeblazen, bedacht Alan Guth in 1979. De natuurkunde zoekt nog bewijs voor zijn inflatietheorie.

De opwinding duurde een maand. Zes weken hooguit. Op 17 maart 2014 maakten Amerikaanse astronomen bekend dat ze bewijzen hadden gevonden voor de theorie die hij 35 jaar geleden had bedacht. Een theorie die vele raadsels rond de oerknal oploste. Alan Guth was blij verrast. Hij had nooit kunnen denken dat hij die bewijzen nog zou meemaken, vertelde hij destijds aan The New York Times. "Je hebt met de natuur altijd een beetje geluk nodig."

Velen zagen hem al de Nobelprijs winnen, maar ruim voor de zomer was er van de bewijzen niets meer over. De astronomen hadden geen relieken van de oerknal gezien, maar slechts het stof in hun eigen Melkweg. Dat hij zijn reisje naar Stockholm moest uitstellen, kan hem niet zo veel schelen, vertelt hij nu. Het stoort hem meer dat de grote vraag of zijn theorie bewezen zal worden, weer in de lucht hangt.

Niet dat hij twijfelt. "Er zijn tal van aanwijzingen voor mijn theorie dat het heelal meteen na de oerknal razendsnel is uitgedijd. Ik kan me niet voorstellen dat iemand een beter alternatief vindt."

Alan Guth was deze week in Nederland, als hoofdgast op een groot natuurkundecongres in Veldhoven. Een kleine, innemende man die nauwelijks opvalt in dit gezelschap van fysici: spijkerbroek, geruit overhemd, ouderwetse bril, sluik haar. Maar Alan Guth is een grootheid in zijn vak. De vader van de inflatietheorie.

Klassieker
De ontdekking van Guth is een klassiek verhaal uit de natuurkunde. Op 7 december 1979 reed de destijds 32-jarige Guth op een avond naar huis. Hij had al een paar maanden met zijn studiemaatje Henry Tye zitten werken aan de oerknal toen hij ineens besefte dat hun idee verstrekkende gevolgen had. 'Spectaculair inzicht' schreef hij in zijn notitieboek en trok er een dubbel vierkant omheen. "Op die avond werd mijn inflatietheorie geboren."

Het idee dat het heelal is ontstaan uit een oerknal, stamt al uit de jaren twintig van de vorige eeuw. Fysici als de Rus Alexander Friedmann en de Belg Georges Lemaître leidden uit de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein af dat het heelal almaar uitdijde. En dat het daarom ooit uit één punt moest zijn voortgekomen.

Veel kosmologen weigerden dit idee over te nemen en hielden vast aan een statisch universum. Het was een soms verhit debat dat echter niet van zijn plaats kwam. Er werden immers nauwelijks waarnemingen gedaan die de gedachten konden bijsturen.

Beeld Trouw

Totdat twee Amerikanen in 1964 de kosmische achtergrondstraling ontdekten. Dat moest het al voorspelde 'eerste licht' zijn, ook wel het nagloei-effect van de oerknal genoemd. Op dat moment kreeg het idee van de oerknal een solide plaats in de wetenschap en begonnen fysici ermee te werken.

Twee problemen doemden op waar de knal geen antwoord op gaf. Ten eerste, de kosmische achtergrondstraling bleek onwaarschijnlijk homogeen. Dat kon een zeldzaam toeval zijn - maar dat vinden wetenschappers geen prettige verklaring - óf de regionen van het heelal waar die straling vandaan kwam, hadden hun eigenschappen uitgewisseld en gemengd. Zoals een heet kopje koffie afkoelt doordat het warmte uitwisselt met zijn omgeving en de temperatuur van de woonkamer aanneemt. Maar dat kon met de achtergrondstraling helemaal niet zijn gebeurd: die regionen staan zo ver uiteen dat ze niet eens van elkaars bestaan 'weten'.

Noordpool-deeltjes
Nog zo'n vreemd toeval: het heelal bleek vlak. Volgens de relativiteitstheorie had de ruimte op allerlei manieren gekromd kunnen zijn. Als een bol, als een zadel, allerlei krommingen door elkaar, maar nee: ze is vlak. Twee parallelle lijnen ontmoeten elkaar ook in de verste verte niet.

Guth had nauwelijks weet van deze problemen toen Henry Tye hem met een derde vraagstuk benaderde. Waar zijn de magnetische monopolen gebleven? Voor zover bekend hebben magneten altijd een noord- en een zuidpool. Als je een magneet doormidden snijdt, krijg je er twee met allebei een noord- en een zuidpool. Maar volgens de theorie zouden er bij de oerknal deeltjes hebben moeten ontstaan die enkel noordpool waren. Alleen: waarom was er dan nog nooit eentje gezien?

Tye wilde uitrekenen hoeveel monopolen er hadden moeten zijn. Guth vond dat eerst een raar idee. "Er was nog zo weinig van de oerknal bekend. Wat viel daar nou aan te rekenen?" Maar een bezoek van Steven Weinberg aan zijn universiteit veranderde zijn visie. De Nobelprijswinnaar gaf twee colleges over de eerste fractie van een seconde na de oerknal. Bizar vond Guth het, maar als Weinberg zich hiermee bezig hield, kon het idee toch niet zo raar zijn.

Het tweetal sloeg aan het rekenen en kwam al vrij snel tot de conclusie dat er een overvloed aan monopolen had moeten zijn geweest. "Dat kon niet kloppen. Niet alleen omdat we nog nooit een monopool hadden gezien. We konden ook uitrekenen dat met zo'n overdaad het heelal hooguit 10.000 jaar oud kon zijn geweest. Een boodschap die in sommige christelijke kringen welwillend zou zijn ontvangen, maar voor fysici is het een bewijs dat de theorie niet deugt."

Fase-overgang
Ze stonden op het punt hun bevindingen te publiceren toen een vakgenoot hen te snel af was. Hun werk kon de prullenbak in, tenzij ze iets bedachten om het monopoolvraagstuk te verklaren. Het moet iets met de fase-overgang van het heelal te maken hebben, bedachten ze. Net zoals water dat kookt, overgaat in een andere fase, veranderde het vroege heelal ook van fase. "Eerst was er één kracht, maar die splitste zich bij de fase-overgang in drie krachten: de elektromagnetische, de sterke en de zwakke kernkracht. Op dat moment moeten ook de monopolen zijn ontstaan. Als we de fase-overgang weten uit te stellen, zeiden we tegen elkaar, dan belemmeren we ook de vorming van monopolen."

Een foto uit 2013 van de kosmische achtergrondstraling.Beeld ESA

Bij een gewone fase-overgang kan dat. Als water heel voorzichtig wordt afgekoeld, kan het ook onder het vriespunt vloeibaar blijven. Dit supergekoelde water heeft maar een klein zetje nodig om in één klap alsnog te bevriezen. Het vroege heelal zou ook in zo'n supergekoelde staat kunnen zijn geraakt, zegt Guth, en dat zou de afwezigheid van monopolen verklaren.

"We verwerkten dit idee in een artikel, maar kwamen in tijdnood. Henry zou een paar maanden naar China gaan en dat was in 1979 nog het einde van de wereld. Ik zou niet met hem kunnen bellen of anderszins communiceren. Het artikel moest dus vóór zijn vertrek af."

Dan komt de avond van het 'spectaculaire inzicht'. Guth begrijpt ineens dat de energie die vrij zou komen als het supergekoelde heelal alsnog naar een nieuwe fase overging, een geweldig effect zou hebben. "We waren er de hele tijd van uitgegaan dat de uitdijing van het heelal in hetzelfde tempo zou doorgaan, superkoeling of niet. Maar nee, dacht ik die avond: die vrijkomende energie laat het heelal kortstondig overkoken. Het dijt even exponentieel snel uit."

Hij beseft dat die snelle uitdijing het vlakheidsprobleem oplost. Het heelal is misschien wel gekromd maar het is in het begin zo snel gegaan, dat wij die kromming niet meer zien. Vergelijk het met de aarde zelf. Dat is een bol, maar voor de kleine mens is die bolling nauwelijks te zien en lijkt de aarde plat.

Horizonprobleem
Een opgewonden Guth bespreekt zijn inzicht met Tye maar die is niet zo enthousiast. "Volgens mij begreep Henry het vlakheidsprobleem niet helemaal." Ze besluiten hun artikel in zijn oorspronkelijke staat af te ronden - zonder exponentiële uitdijing dus - waarna Tye naar China vertrekt.

Guth peinst in zijn eentje verder. Een paar weken later raakt hij, tijdens de lunch op zijn universiteit, toevallig in gesprek over dat andere probleem: de homogeniteit van de achtergrondstraling. "Officieel heet dat het horizonprobleem. Regionen in het universum kunnen niet verder kijken dan hun 'horizon'. En zouden hun eigenschappen dus ook niet hebben kunnen uitwisselen. 'Mijn idee lost dat probleem ook op', dacht ik. De regionen zijn vóór die snelle uitdijing wel dicht genoeg bij elkaar zijn geweest."

Hij zet zijn ideeën op papier en berekent hoe het ongeveer gegaan zou kunnen zijn. Vlak na de oerknal heeft het heelal zich in een fractie van een seconde (een biljoenste van een biljoenste van een biljoenste seconde) opgeblazen. 'Inflated' is de Engelse term, en daarom doopt hij zijn idee tot inflatietheorie - al speelde de financiële crisis eind jaren zeventig ook een rol bij de naamgeving. In die flits groeit het heelal uit van iets minuscuuls tot een bolletje van één centimeter doorsnee.

"In mijn eerste schattingen had ik het over een voetbal, toen over een grapefruit, maar het blijkt nog iets kleiner. De krachten die de uitdijing afremmen, bleken groter dan gedacht. Maar let wel: de vergrotingsfactor is nog altijd een één met 75 nullen."

Nieuwe universa
De energie die de inflatie aanjaagt, is snel opgebruikt. Dat wil niet zeggen dat de inflatie zelf ook snel stopt, zegt hij. "In de meeste modellen is de inflatie een meta-stabiel proces. Over het algemeen dooft het uit, maar het zal hier en daar ook weer exponentieel uitbarsten. Volgens die modellen poppen overal nieuwe universa op. Er zou niet één heelal zijn, er zijn er vele. Misschien wel oneindig veel."

Sommige collega's worden daar nerveus van. De natuurkunde begint af te drijven van haar experimentele basis, schreef de befaamde George Ellis vorige maand in het vakblad Nature. "Sommige fysici betogen dat als theorieën elegant en verklarend zijn, een experimenteel bewijs niet meer nodig is."

Tja, reageert Guth. "Bij mijn weten is geen enkele theorie ooit bewezen. Of het nu om Newton of Einstein gaat, we hebben altijd alleen maar aanwijzingen die theorieën aannemelijk maken. Een experiment toont hooguit aan dat een theorie niet waar is. De vraag is dus: hoe aannemelijk is de inflatie? Nou, alle waarnemingen wijzen in de richting dat er zoiets is gebeurd. Akkoord, het multiversum is een speculatief idee waar we misschien nooit een aanwijzing voor krijgen. Maar inflatie is heel plausibel. Ik kan me niet voorstellen dat dat ooit van het bord verdwijnt."

Een stofwolk voor het oudste licht

Het leek het wetenschapsnieuws van het decennium te worden. Amerikaanse astronomen beweerden vorig jaar maart dat ze bewijzen hadden gevonden voor de inflatietheorie van Alan Guth. Volgens die theorie dijde het heelal kort na de oerknal razendsnel uit. Daardoor vervormde de ruimte en de astronomen dachten dat ze sporen van die vervorming hadden gezien in de kosmische achtergrondstraling, het eerste en oudste licht. Dat licht zou ook moeten zijn vervormd: gepolariseerd.

Dat bleek ook zo te zijn, maar uit metingen van de ruimtetelescoop Planck werd duidelijk dat de polarisatie van de achtergrondstraling was veroorzaakt door stof in de Melkweg. De sterrenkundewereld wacht nu vol spanning op nieuwe artikelen van de Planck-groep waaruit zou moeten blijken of er een gaatje in die stofwolken zit waardoor er toch zicht is op de inflatie.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw 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@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden