Hij blijft een bescheiden Vlaming, maar ondertussen heeft hij wel als sidekick van Stephen Hawking een van de onder kosmologen meest geaccepteerde theorieën op losse schroeven gezet. Thomas Hertog is daarmee hard op weg wetenschappelijke wereldfaam te verwerven. We spraken hem in 2018 uitgebreid.
Hawking en Hertog vormden sinds de jaren negentig een wetenschappelijk duo. In 1998 promoveerde Thomas Hertog onder de vleugels van Stephen Hawking op het onderwerp kosmische inflatie, een korte periode van razendsnelle uitdijing van het heelal vlak na de oerknal. Hun samenwerking zou daarna nog twintig jaar duren en is uitgemond in een radicale nieuwe beschrijving van de oerknal en het ontstaan van de wereld zoals we die kennen.
Vanwaar die interesse in de oerknal?
‘Om het heelal te begrijpen, moet je kijken naar de natuurwetten die bepalen hoe alles werkt. Denk bijvoorbeeld aan de zwaartekracht en de kernkrachten binnen atomen. De natuurwetten zijn er niet altijd geweest. Ze zijn tot stand gekomen toen het heelal vlak na de oerknal afkoelde. Aan de hand van die wetten zijn alle materiedeeltjes ontstaan, en de interacties daartussen, waaruit het heelal is opgebouwd.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Als je naar die natuurwetten kijkt, dan valt op dat ze bijzonder speciaal zijn. Ze haken fantastisch goed in elkaar, waardoor na miljarden jaren structuren, complexiteit en leven konden ontstaan. Het heelal waarin we leven is heel interessant! Omdat de natuurwetten vanuit de oerknal tot stand zijn gekomen, zou je denken dat de verklaring voor die wetten ook in de oerknal verscholen ligt.’
Wat is er mis met de theorie die Stephen Hawking en James Hartle hierover in de jaren tachtig ontwikkelden en het multiversum dat ze daarin introduceerden?
‘In het multiversum dat introduceerden is bijna alles mogelijk. Dat brengt je nauwelijks dichter bij een antwoord op de vraag waarom de natuurwetten zijn zoals ze zijn. Je kunt er namelijk geen gerichte voorspellingen mee doen. Daardoor kun je de wetten moeilijk testen.
Eerst hadden we alleen de klassieke, deterministische fysica waar Einstein mee werkte. Die marcheert in het geheel niet met de oerknal. Daarna haalden Hawking en Hartle er in de jaren tachtig een beetje quantumfysica bij. Zo zijn we uitgekomen bij het multiversum.
Toen is het eigenlijk uit de hand gelopen – met al die mogelijke, verschillende universa. Hawking en ik hebben er nieuwe technieken uit de snaartheorie bij gehaald, die radicaler quantumfysisch zijn, en het mogelijk maken om de theorie op wiskundig steviger grondvesten te plaatsen. Het heelal dat daaruit lijkt voort te vloeien is unieker en specialer. De voorspellingen die je nu kunt doen zijn sterker en strikter. Dat maakt het een betere, krachtigere theorie.’
Hoelang hebben Hawking en u aan deze theorie gewerkt?
‘De zaden zijn ongeveer drie jaar voor de publicatie geplant. We waren beiden aanvankelijk terughoudend om tot publicatie over te gaan. De theorie trekt het hele idee van het multiversum, en daarmee Hawkings eigen theorie uit de jaren tachtig, zwaar in twijfel – een nogal wilde conclusie. Dan moet je toch wel twee keer nadenken voordat je ermee naar buiten treedt.
Uiteindelijk slaagden we erin een aantal berekeningen te doen die heel overtuigend waren. Op dat moment sloeg Hawking helemaal om. In het laatste gesprek dat ik met hem heb gehad, zei hij: ‘I’ve never been a fan of the multiverse.’ Terwijl hij een heel aantal jaar datzelfde multiversum heeft gepredikt. Dat kwam door die cruciale set berekeningen. Op het eind was Hawking veel sneller overtuigd dan ikzelf om ervoor te gaan.’
Zijn jullie de eersten die technieken uit de snaartheorie hebben losgelaten op de oerknal?
‘Pogingen om de snaartheorie toe te passen op de kosmologie zijn al een aantal jaar aan de gang. In het onderzoeksveld van de oerknal gaat het dan vooral om het toepassen van het idee van ‘holografie’, dat uit de snaartheorie komt. Dat idee zegt dat je de hele driedimensionale wereld wiskundig kunt beschrijven op een tweedimensionaal oppervlak. Maar dit is echt een wespennest. Niemand weet precies hoe je die vertaalslag kunt maken. Dit soort technieken, zoals eigenlijk alles in snaartheorie, zijn gedefinieerd in een kunstmatige wiskundige realiteit. Als je ze wilt toepassen op de echte wereld moet je een enorme vertrouwenssprong maken. Men heeft al wel geprobeerd die technieken toe te passen op de toekomst, maar nog niet op het begin.
Wij hebben dat wel gedaan. De oerknal is daardoor niet langer een singulariteit waar je niks over kunt zeggen. Het beginpunt is nu eerder een soort grensvlak waarop van alles gebeurt. De hele theorie leeft als het ware op een soort tijdloze horizon bij de oerknal van waaruit ons heelal, met de voor ons gebruikelijke notie van ruimte en tijd, tot stand is gekomen. Op basis daarvan kun je nu uitrekenen dat er geen multiversum ontstaat, maar een min of meer homogene en uniforme verzameling van universa.’
Hoever hebben jullie het aantal mogelijke universa nu dan gereduceerd?
‘Die vraag is nog onbeantwoord. Het uit eeuwige inflatie tot stand komende multiversum was in bepaalde versies gigantisch gevarieerd. Er was geen kop of staart aan te krijgen. Die complicaties zijn nu allemaal weg. De vraag welke variaties er over zijn is een hele belangrijke, omdat je daar de theorie uiteindelijk mee kunt testen.’
Op welke manier zou je de theorie dan experimenteel kunnen testen?
‘Onze theorie voorspelt bijvoorbeeld heel duidelijk dat ons heelal tot stand is gekomen met een significante periode van inflatie, een fase van heel snelle uitdijing. Inflatie zorgt voor welbepaalde patronen in de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van de oerknal. De grote vraag is nu of we die patronen in detail kunnen voorspellen.
Daarvoor is verdere ontwikkeling nodig van het concept van holografie. Als je echt een sluitend plaatje wilt maken, dan moet de snaartheorie volledig in de kosmologie klikken. Dan kom je heel dicht bij een ‘theorie van alles’.’
Gaan we daar ooit komen, zo’n theorie van alles?
‘Ik vermoed het. Het kan een tijdje duren, maar er zijn in mijn ogen te veel theoretische aanwijzingen die suggereren dat de quantumfysica en de relativiteitstheorie op een of andere manier sluitend in elkaar moeten haken. Het gaat tenslotte om één realiteit. Of een dergelijke theorie binnen het bereik van de mensheid ligt, is nog de vraag. Dit zal in elk geval gepaard gaan met nog heel wat conceptuele revoluties. Eén daarvan is – hopelijk – wat wij nu doen, het toepassen van holografie op de oerknal. Dus eigenlijk het op een andere manier nadenken over concepten zoals tijd en ruimte.’
Als je een theorie van alles als eindstadium beschouwt, waar op een schaal van 1 tot 10 zou u dan de publicatie van u en Hawking plaatsen? Waar staan we op de weg naar die theorie van alles?
‘Dat kun je écht niet zeggen. Goed geprobeerd.’
Dit is een ingekorte versie van een artikel uit New Scientist 57, verschenen in juni 2018.
