Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: heeft ons heelal een bijzondere vorm?

Oké, het is een wat gedateerde vergelijking, maar voor de veertigplussers (en de retro-gamers) onder ons: vroeger had je van die computerspelletjes waarbij je, als je je poppetje of ruimtescheepje rechts het scherm uit stuurde, het links weer in beeld verscheen – en vice versa.

Anno 2024 zul je zoiets in een game niet vaak meer tegenkomen, maar, raar maar waar: het zou best kunnen dat ons heelal wél zo werkt. Misschien zelfs in drie dimensies. Om in computerspeltermen te blijven, moet je dan denken aan een blokvormig scherm waarvan de linkerkant aan de rechterkant is gekoppeld, de bovenkant aan de onderkant, en de voorkant aan de achterkant.

Nu nemen veel wetenschappers al jaren aan dat dat níét het geval is. Eerder onderzoek wist namelijk geen tekenen van dat soort aan elkaar geknoopte dimensies bloot te leggen. Maar dat betekent niet dat ze er niet zijn, schrijven theoretisch natuurkundige Yashar Akrami en collega’s nu in een nieuw wetenschappelijk artikel. We hebben bij lange na niet alle mogelijkheden bekeken.

Meer van Far Out:

• Zit er een oeroud zwart gat in het binnenste van de zon?
• Zijn er misschien toch deeltjes sneller dan het licht?

Misverstand

Waar het in deze discussie om draait, is de vorm, of in vaktermen, de topologie van het heelal. Die kan ‘triviaal’ zijn, wat zoveel wil zeggen als: het heelal heeft géén bijzondere vorm. Welke richting je ook in vliegt met je raket, je komt steeds nieuwe sterren en sterrenstelsels tegen. Maar het heelal kan ook een ‘niet-triviale’ topologie hebben. Dan zijn er een of meer richtingen – misschien wel alle – die je terugbrengen bij je startpunt.

Heeft het heelal zo’n topologie, dan zou dat zijn sporen kunnen achterlaten in de oudste straling die we kunnen zien: de kosmische achtergrondstraling, die zo’n 400.000 jaar na de oerknal ontstond. Inmiddels zien we die als een zwakke gloed die ons vanuit alle richtingen bereikt. Een niet-triviale topologie zou dan kunnen leiden tot cirkelvormige gebiedjes in die achtergrondstraling die met elkaar corresponderen. Naar zulke rondjes is eerder tevergeefs gezocht.

Oké, zou je dan kunnen denken: blijkbaar hebben we dus zo’n saaie, triviale topologie waarbij het heelal in elke richting almaar doorgaat? Nee, zegt Akrami; dat is een misverstand dat zelfs onder veel wetenschappers de ronde doet. Sowieso maakt het uit hoe vér je moet reizen in een bepaalde richting om weer bij je startpunt uit te komen. Is die afstand veel groter dan het waarneembare heelal, dan zou dat niet leiden tot van die corresponderende cirkels. De achtergrondstraling vertelt je dus alleen maar iets over relatief ‘kleine’ topologieën.

Bovendien zijn er heel veel topologieën mogelijk, schrijven Akrami en zijn collega’s, die ook als ze klein zijn niet leiden tot de rondjes die niet in de achtergrondstraling zijn aangetroffen. De zoektocht is dus allesbehalve voorbij.

Opgerolde dimensies

Maar zijn er dan redenen om aan te nemen dat ons heelal zo’n gekke, niet-triviale topologie heeft? Akrami draait de vraag om: “Zijn er redenen om aan te nemen dat het heelal een triviale topologie heeft? En het antwoord op die vraag is absoluut ‘nee’. De algemene relativiteitstheorie, die beschrijft hoe het heelal zich ontwikkelt, zegt niets over de topologie. Alle topologieën zijn dus even waarschijnlijk.

Verder, vervolgt hij, zijn er wel degelijk theorieën die beter werken als ons heelal een niet-triviale topologie heeft. “Het is bijvoorbeeld makkelijker om een eindig heelal te laten ontstaan dan een oneindig heelal.” Ook zijn er theorieën die de zwaartekracht proberen te combineren met onze theorie van het allerkleinste: de quantummechanica. En, zo vertelt Akrami, “sommige van die theorieën voorspellen dat het heelal vlak na de oerknal van topologie kan veranderen”. In dat geval zou je dus niet verwachten dat het huidige heelal per se een triviale topologie heeft.

Tot slot verwijst Akrami naar de snaartheorie, een theoretisch bouwwerk dat alleen werkt als er negen ruimtelijke dimensies zijn (met tijd als tiende dimensie). Dat we maar drie dimensies ervaren, zou dan komen doordat die overige zes zijn ‘opgerold’ op zó kleine schaal dat we er tot nog toe niets van hebben gemerkt. “Als we al bereid zijn zes ruimtelijke dimensies op te rollen, waarom zou dat dan niet ook zo kunnen zijn voor die andere drie, maar dan op grotere schaal?”

Uitvergrote eigenschappen

Toch zou je erover kunnen twijfelen of ons heelal een niet-triviale topologie heeft die klein genoeg is om er wat van te kunnen merken, zegt theoretisch natuurkundige Jan Pieter van der Schaar van de Universiteit van Amsterdam. De meeste kosmologen gaan er namelijk van uit dat het heelal vlak na de oerknal héél even héél snel uitdijde; een fase die inflatie wordt genoemd. “De topologische eigenschappen van het heelal zouden dan ook zijn uitvergroot, tot een schaal veel groter dan het waarneembare heelal.” En zulke topologieën zijn te omvangrijk om er wat van te merken in het ‘stukje’ heelal dat we daadwerkelijk kunnen bestuderen.

Desondanks vindt hij het artikel van Akrami en collega’s de moeite waard. “Ten eerste weten we niet zeker dat inflatie heeft plaatsgevonden. Ten tweede moeten we gewoon zoveel mogelijk informatie proberen te halen uit de data die we hebben over het heelal. En als daarin inderdaad aanwijzingen zijn te vinden voor een niet-triviale topologie, zou dat superinteressant zijn.”

Deze Far Out staat ook in KIJK 8/2024. Bestel deze editie in onze webshop, of eenvoudig via de knop hieronder!