De Brit Roger Penrose won vandaag de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn onderzoek naar zwarte gaten. Begin 2019 sprak New Scientist-redacteur Ans Hekkenberg hem uitgebreid over een controversieel idee: Penrose zou in de kosmos sporen hebben ontdekt van een vorig universum.
De 87-jarige Roger Penrose (inmiddels 89, red.) is een van de levende grootheden van de wiskunde en natuurkunde. Tijdens zijn lange carrière ontwikkelde hij onder meer een wiskundige manier om de ruimtetijd in kaart te brengen en doorgrondde hij, samen met Stephen Hawking, hoe het centrum van een zwart gat eruitziet. Hij heeft zo veel onderscheidingen ontvangen dat hij de muren van zijn huis ermee kan behangen; zo veel medailles gekregen dat hij er krom van zou gaan lopen.
En toch is Penrose een controversiële wetenschapper. Hij loopt al zijn hele carrière over van de ideeën, maar vaak zijn die ideeën zó wild en vreemd dat zijn collega-wetenschappers er geen raad mee weten. Penrose mengt zich ook graag in filosofische vraagstukken, waarbij hij de grenzen tussen filosofie en bètawetenschap laat vervagen. Een voorbeeld: in zijn boek The Road to Reality probeert Penrose het leven, het universum en alles te verklaren aan de hand van drie werelden – de fysische, de mentale en de wiskundige wereld. Het is een onderwerp waar filosofen zoals Karl Popper dol op zijn, maar waar wis- en natuurkundigen zich ver buiten houden. Filosofie en wetenschap moet je niet mengen, is de populaire opvatting – maar Penrose trekt zich daar niets van aan.
Materialen die licht terugspoelen in de tijd stellen de natuurkunde op de proef
Zogeheten temporele metamaterialen werken als een soort ‘spiegels in de tijd’. Wetenschappers gebruiken deze materialen om de relativiteitstheorie ...
Het is dan ook geen wonder dat collega-wetenschappers zijn spectaculairste theorie, een model dat beschrijft hoe ons universum is ontstaan en zal sterven, met argwaan bekijken. ‘Maar dat is onterecht’, benadrukt Penrose wanneer New Scientist hem spreekt, voorafgaand aan een conferentie van het Institute for Advanced Study van de Universiteit van Amsterdam. ‘Het probleem is dat de meeste wetenschappers een theorie die afwijkt van de mainstream simpelweg weigeren serieus te nemen. Daar is geen goede reden voor. Dat het niet binnen het gebruikelijke plaatje past, is geen argument om een idee af te doen als onmogelijk of ongeloofwaardig.’
Universum na universum
De theorie die de controverse ontketende, heet (hou je vast) conformal cyclic cosmology. De wetenschap die achter die drie C’s schuilt is minstens zo uitdagend als de naam doet vermoeden. Samengevat komt het CCC-model erop neer dat het universum een cyclisch patroon volgt. Het universum begint met een oerknal: BAM! Daarna groeit het universum gestaag. Er ontstaan sterren, planeten en nevels. Maar al dat spul bestaat niet voor eeuwig. Mettertijd zal alle materie verdwijnen. Dat betekent dat uiteindelijk (‘na tien tot de honderdste jaar’ schat Penrose) het heelal weer helemaal leeg is. Op dat moment sterft het universum. Er is niks van over. Uit al dat niets kan, net als eerder, opnieuw een oerknal plaatsvinden. De dood van het ene universum vormt dus de oerknal van het volgende. BAM! Het volgende deel van de cyclus begint. Het nieuwe universum groeit, materie ontstaat, materie verdwijnt, en er vindt opnieuw een oerknal plaats. BAM! Enzovoorts.
Maar wacht even, zul je misschien denken, waarom zouden sterren, planeten en nevels zomaar verdwijnen? Om dat te verklaren, roept Penrose zwarte gaten op het toneel. Deze zware kosmische objecten slurpen alle massa op die in hun buurt zit. Zwarte gaten die veel spul op hebben, kunnen vervolgens ook nog eens samenklonteren met andere zwarte gaten tot grotere zwarte gaten, die nóg hongeriger zijn. ‘Op het laatst heb je alleen nog maar super-duper-zware zwarte gaten over, die vervolgens ook de laatste beetjes stercluster opslurpen’, zegt Penrose.
Maar ook zwarte gaten bestaan niet voor eeuwig. Uit elk zwart gat lekt langzaam maar zeker energie weg – een fenomeen dat hawkingstraling heet. De super-duper-zwarte gaten die aan het einde van het universum domineren, zullen daardoor langzaam maar zeker verdwijnen. ‘De hoeveelheid straling die weglekt is miniem, maar als je lang genoeg wacht, zal het zwarte gat gewoon helemaal verdwijnen. En tijd, dat heeft het universum genoeg’, zegt Penrose.
Wanneer alle materie is opgeruimd, zijn de omstandigheden net zoals vóór de oerknal, en kan de volgende universumcyclus starten. De volgende versie van het universum – de volgende universie, zogezegd – is een feit. Van oerknal naar oerknal: het universum van Roger Penrose houdt nooit op. ‘Althans, dat lijkt me het meest logisch’, zegt Penrose. ‘Het zou natuurlijk kunnen dat deze cycli ooit gestart zijn. Dat er een beginpunt was en dat er ooit een eind aan zal komen. Maar daar kunnen we niets over zeggen – we hebben er geen informatie over – dus ik ga er maar van uit dat het een oneindige reeks is.’
Het is een theorie waar Penrose sinds 2006 aan werkt. Dat het een bizar idee is, dat weet hij zelf ook wel. De kop die hij koos voor een van zijn eerste artikelen over het onderwerp loog er niet om: ‘Before the big bang: an outrageous new perspective’. Een buitensporig nieuw perspectief.
Uit een vorig universum
Een lange tijd pruttelde het idee op een laag pitje voort. Naast Penrose zijn er namelijk maar weinig wetenschappers bereid om aan het model werken. ‘Het is moeilijk, bijna onmogelijk om collega’s te vinden die hier hun tijd aan willen wijden. En goede studenten die zich hierop willen storten, zijn al helemaal niet beschikbaar’, zegt Penrose. ‘Dat is ook logisch. Als student kies je voor zekerheid. Als je je richt op een normaal, populair onderwerp in de fysica, ben je verzekerd van een baan. Als je kiest voor mijn onderwerp, kan dat een vroegtijdig einde van je carrière betekenen.’ Toch staat Penrose er niet helemaal alleen voor. Hij werkt samen met collega’s uit onder andere Armenië, Polen en de Verenigde Staten. ‘Stuk voor stuk serieuze wetenschappers’, benadrukt Penrose ongevraagd.
Dat kleine groepje wetenschappers wist het eind 2018 voor elkaar te krijgen dat het CCC-model plots wereldwijd de aandacht kreeg. Toen beweerde Penrose, samen met collega’s Daniel An, Krzysztof Meissner en Pawel Nurowski, dat hij observationeel bewijs had gevonden dat er vóór dit universum een ander universum heeft bestaan. Observationeel bewijs, dat zijn de toverwoorden waarmee een wetenschapper de wereld op de kop kan zetten. Het betekent dat Penrose en zijn collega’s ‘iets’ aan de hemel zagen waarvan ze zeker wisten dat het uit een vorig universum komt.
Hete plekken
Dat ‘iets’, dat zijn vreemde, hete plekken in de kosmische achtergrondstraling. De kosmische achtergrondstraling is een flinke portie warmte die kort na de oerknal ontstond. Met de groei van het heelal is deze warmte dunnetjes uitgesmeerd over de ruimte, waardoor de temperatuur in de lege kosmos, waar je ook kijkt, overal drie graden boven het absolute nulpunt ligt. Het feit dat deze oerwarmte zich netjes verdeelde over een groeiend heelal, betekent dat het overal in de kosmos ongeveer even warm moet zijn. Maar Penrose en zijn collega’s beweren dat zij in de meetkaarten van de kosmische achtergrondstraling plekken hebben gevonden waar de kosmos veel heter is dan op andere plekken. Met andere woorden: zij zien hotspots in de achtergrondstraling.
‘Dat zijn de plekken waarop in het vorige universum de laatste zwarte gaten verdampten’, verklaart Penrose. We spoelen even terug: aan het eind van een universumcyclus zit alle materie gevangen in super-duper-zware zwarte gaten. Die lekken langzaam energie totdat het zwarte gat ‘op’ is. Hoewel dat lekken een vreselijk langzaam proces is, moet de totale hoeveelheid energie die zo ontsnapt enorm zijn. ‘Alle energie die ooit in de materie zat die in het zwarte gat is gevallen, zal in dat ene zwarte gat, in één enkel punt, geconcentreerd zitten,’ zegt Penrose.
‘Ook nadat de energie is weggelekt, zit het nog steeds in een heel klein gebied geconcentreerd’, vervolgt Penrose. ‘Maar daar komt verandering in wanneer de volgende oerknal plaatsvindt. Dan zal de energie worden uitgesmeerd, van één enkel punt naar een groot gebied. Volgens onze berekeningen zou zo’n gebied vier graden aan de nachtelijke hemel beslaan. Dat is niet niks. Als je omhoog kijkt naar de hemel, is dat acht keer zo groot als de maan.’
Zijn ze er of zijn ze er niet?
De hotspots in de achtergrondstraling komen overeen met deze theoretische sporen van een vorig universum. Althans, dat zeggen Penrose en consorten. Andere fysici zien helemaal geen vreemde hotspots in de achtergrondstraling. Of zij zien wel warme plekken, maar ze vinden die niet opvallend genoeg om er echt van op te kijken. Kleine variaties in de warmte zijn ook zonder verdampende zwarte gaten uit een vorig universum te verklaren, zo klinkt het weerwoord van de astronomische gemeenschap.
Penrose is echter niet overtuigd door de kritiek. ‘Die plekken zijn er – dat is gewoon te zien in de data. En tot nog toe heeft niemand de moeite genomen om te kijken of deze hotspots te verklaren zijn met het klassieke universummodel. Kijk, als iemand het ontstaan van het universum op een klassieke manier simuleert en bewijst dat de hotspots ook dan ontstaan, dan heb ik het mis. Dan vormen ze inderdaad geen bewijs voor een vorig universum. Ik ben meer dan bereid om me te laten overtuigen door zo’n bewijs. Maar niemand heeft die simulatie daadwerkelijk gedaan.’
Andere wetenschappers verwijten Penrose daarentegen dat hij gericht zoekt naar signalen die passen bij zijn buitensporige theorie. ‘Ze beschuldigen me ervan dat ik zie wat ik wíl zien. Ze zeggen: ‘als je naar driehoeken zoekt, dan vind je driehoeken’. Maar dat is niet zo. Als ik in de achtergrondstraling met dezelfde meetmethode naar een andere vorm zoek, bijvoorbeeld naar hotspots in de vorm van ellipsen in plaats van cirkels, dan vind ik geen enkele ‘hit’. Als ik zoek naar cirkels, dan vind ik er legio. Die cirkels zijn er dus echt.’
Eerst ringen, nu cirkels
Toch is de sceptische houding van andere wetenschappers begrijpelijk. Het is niet de eerste keer dat Penrose meent een overblijfsel van een vorig universum te zien. In 2010 ontdekten Penrose en de Armeense fysicus Vahe Gurzadyan hete ringen in de achtergrondstraling. Ze opperden toen dat die ringen overblijfselen waren van zwaartekrachtsgolven uit een vorige editie van het universum, die ontstonden toen zwarte gaten op elkaar botsten. Andere fysici gingen op zoek naar de ringen, maar vonden niets. Penrose heeft toentertijd niet gereageerd op het feit dat de metingen van anderen zijn vondst tegenspraken.
Penrose ontkent echter dat de zwaartekrachtsgolvencirkels een stille dood gestorven zijn. ‘Mensen zeggen dat ik dat eerste signaal, de cirkels, heb opgegeven en dat ik nu weer met iets nieuws op de proppen kom. Dat is niet waar. Een Canadese onderzoeksgroep heeft het bestaan van de cirkels wél bevestigd, maar zij zeiden dat de ringen kunnen zijn ontstaan door toevalligheden. Ik vind dat geen bevredigende verklaring.’
Met andere woorden, Penrose vindt dat de wetenschappelijke gemeenschap geen overtuigend weerwoord heeft gevormd op zijn ontdekkingen. ‘Er zijn nu twéé signalen waar de klassieke kosmologie geen antwoord op heeft gegeven: de cirkels én de hotspots.’
Donkere materie in de ruis
Overigens is Penrose van mening dat collega-wetenschappers wel vaker opvallende signalen negeren. Hij noemt een ander voorbeeld: een signaal dat verscheen in de LIGO-detectoren die zoeken naar zwaartekrachtsgolven. ‘Dat de LIGO-detectoren zwaartekrachtsgolven hebben gemeten, dat staat buiten kijf ’, zegt Penrose. ‘Maar met de meting van de zwaartekrachtsgolf verscheen ook een ander opvallend signaal in de detectoren.’
LIGO maakt gebruik van twee detectoren: één in het westen en één in het oosten van de Verenigde Staten. Toen deze detectoren een zwaartekrachtsgolf ontdekten, moest die golf uit een flinke portie ruis gefilterd worden. ‘Wat opvallend was, is dat deze ruis voor beide detectoren, die echt een heel eind uit elkaar staan, er vrijwel hetzelfde uit zag. Dat is een teken dat het niet alleen ruis was, maar dat de detectoren nog ook een ander signaal oppikten. Dat werd onterecht als ‘ruis’ bestempeld en in de prullenbak gebonjourd.’
Penrose heeft ook wel een idee wat dat signaal kan zijn. Het zijn volgens hem metingen van ‘erebonen’. Dat zijn deeltjes die in het CCC-model van Penrose de rol van donkere materie op zich nemen. Elke universumcyclus start met veel erebonen, die langzaam maar zeker vervallen in gravitonen (deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de zwaartekracht). Volgens Penrose heeft een erebon een enorme massa: 0,00001 gram. ‘Zoveel als het oog van een vlo’, aldus Penrose. Dat lijkt misschien niet veel, maar voor een enkel deeltje is het enorm. Wat LIGO zag, zou het signaal van zo’n megazwaar erebon kunnen zijn.
Want waarom niet
De erebon-theorie blijft vooralsnog onbeproefd. Steeds vaker bedanken collega-wetenschappers ervoor om de ideeën van Penrose te testen. Als je door de kritiek van andere wetenschappers heen bladert, klinkt steeds opnieuw hetzelfde bezwaar. Ten eerste: het CCC-model is nauwelijks te begrijpen, behalve voor de kleine kring van ingewijden. De ideeën die Penrose op papier zet, zijn simpelweg niet goed genoeg uitgewerkt om ze echt te kunnen doorgronden – laat staan om ze te testen. Ten tweede: het feit dat iets kán, wil niet zeggen dat het waarschijnlijk is. Penrose is een man die dol is op ‘waarom niet’-argumenten. Een cyclisch universum kán bestaan, want waarom niet? Er is geen bewijs dat het onmogelijk is. Donkere materie kan afkomstig zijn van erebonen, want waarom niet? Niemand heeft laten zien dat deze deeltjes níet bestaan.
Het gevolg hiervan is dat de ideeën van Penrose in de speculatiefase blijven. De artikelen die Penrose de afgelopen jaren over het CCC-model schreef, zijn nooit gepubliceerd in vakbladen. Het CCC-universum blijft daardoor een wild, buitenissig idee van een man die beroemd staat om precies dat soort ideeën.
Het is niet erg om ‘de man met de gekke ideeën te zijn’, vindt Penrose. ‘Gekke ideeën zijn nodig om de wetenschap vooruit te helpen.’ Maar toch laat de kritiek hem niet koud. Hij is blij dat hij een paar toegewijde collega’s heeft die zich ook vol overgave op zijn CCC-theorie storten. Want anders? ‘Tja. Als ik echt de enige wetenschapper was die hierin geloofde, dan zou ik me zorgen gaan maken om mijn geestelijke gesteldheid.’
