Daan Meerburg in Ukrant: Zwaartekracht en kwantumfysica verenigd

De heilige graal - ik denk dat ik dat ben.

Elk wetenschappelijk vakgebied kent zijn ultieme droom.
In deze serie gaat UKrant op zoek naar die heilige gralen.
Aflevering 6: Daan Meerburg wil zwaartekracht en kwantumfysica samenbrengen.

Noord en zuid. Leven en dood. Goede koffie en RUG-automaten. Zwaartekracht en kwantumfysica. Allemaal tegenpolen. Toch?

Op het eerste gezicht passen die laatste twee prima in het rijtje. Zwaartekracht gaat over de grote dingen binnen de natuurkunde: planeten die in hun as om een ster heen draaien; sterrenstelsels die bijeen blijven en zelfs een appel die naar beneden valt. De theorie die eraan ten grondslag ligt, kan bijna alles in ons heelal beschrijven.

Tót we bij de kwantumfysica komen. Die gaat over de allerkleinste deeltjes van de natuur: moleculen, atomen en de deeltjes waaruit zij weer bestaan, quarks. Dan zie je iets geks: Einsteins zwaartekrachttheorie lijkt niet meer te gelden.

De ene theorie is meetbaar en concreet, de ander abstract en onzeker. En al decennialang proberen wetenschappers ze te verenigen in de theorie van alles. Een enorme opgave, want hoe kunnen de theorieën die de werkelijkheid beschrijven nu met elkaar in tegenspraak zijn?

Oerknal

Kosmoloog Daan Meerburg is een van de wetenschappers die ontbrekende puzzelstukjes probeert te vinden die de twee kunnen samenbrengen. Hij kijkt daarvoor naar momenten waarop zwaartekracht en kwantumfysica samenkomen, zoals in de kindertijd van het universum, vlak na de oerknal.

Een bekende theorie, die van de kosmische inflatie, beschrijft dat het heelal kort na de oerknal een enorme groeispurt kreeg: ‘Dit gebeurde in een hele korte tijd’, vertelt de universitair hoofddocent. Zo’n 1*10-33 seconde: veel sneller dan je met je ogen kunt knipperen. ‘Je kunt je voorstellen dat hier enorme energieën bij vrijkwamen.’

Daar zit de link. Want in de kleinste deeltjes vinden soms spontane, tijdelijke veranderingen van hun energietoestand plaats: zogeheten kwantumfluctuaties. Normaal gesproken merken we hier niets van, omdat de kwantumwereld zo klein is dat deze niet direct kan communiceren met de tastbare wereld, legt Meerburg uit.

Zwaartekrachtsgolven

Maar tijdens die groeispurt, in de tijd dat vanuit niets iets ontstond, was dat anders. ‘Deze was waarschijnlijk zo energierijk dat de kwantumfluctuaties zelfs ruimte-tijd konden vervormen. Die vervormingen kennen we, dat zijn zwaartekrachtsgolven.’

En díe golven – of althans, de sporen ervan – proberen Meerburg en zijn collega’s te vinden. Het zou een waanzinnig bijzondere ontdekking zijn, zegt hij. Ze zouden ermee aantonen dat de groeispurt van het heelal daadwerkelijk heeft plaatsgevonden.

Maar belangrijker: ze zouden dan een directe manier hebben om te bepalen bij welke energieniveaus deze zwaartekrachtsgolven plaatsvonden, waardoor ze beter zouden begrijpen hoe verschillende krachten zich onder enorme energieën tot elkaar verhouden. ‘Dat biedt dan weer een puzzelstukje aan de grand unifying theory.’

Nagloed

Meerburg ontdekte tijdens zijn studie kosmologie dat hij ook gefascineerd was door theoretische natuurkunde. ‘Maar dat was zo abstract, dat ik er moeite mee had.’

Maar in dit onderzoek kan hij zijn liefde voor theorie combineren met praktische observaties.

‘Er is maar één kopie van alles in het universum, maar één realisatie’, vertelt hij. ‘Dan is de vraag: wat ga ik meten dat mij iets vertelt over het vroege heelal?’

Het werd iets dat heel dichtbij die vroege dagen van het universum komt: de kosmische achtergrondstraling, oftewel de ‘nagloed’ van de oerknal. Zijn hier piepkleine afwijkingen in te zien, dan is dat een aanwijzing dat de zwaartekrachtgolven in het vroege heelal voorkwamen.

Ruimtestof

Deze afwijkingen zijn erg lastig te meten, maar Meerburg probeert het toch. Met behulp van modellen en kunstmatige intelligentie én samenwerkingen met andere wetenschappers en observatoria. ‘Daar komt bij dat je moet oppassen voor de ruis in het heelal’, gaat hij verder.

Dit ging fout in 2014, toen wetenschappers dachten dat ze die polarisatie hadden gevonden. Wat bleek? ‘De wetenschappers maten per ongeluk de ruis in het heelal, zoals ruimtestof en straling.’ Niks geen bewijs voor zwaartekrachtsgolven dus.

Maar, vertelt Meerburg, aan die ruis is iets te doen. ‘De achtergrondstraling van het heelal kun je eruit filteren met gerichte metingen. Het liefste doe je dit met meetapparatuur in de ruimte zelf, zodat je nog minder ruis hebt van bijvoorbeeld de atmosfeer. Maar dat is wel een uitdaging.’

Vooralsnog gebruiken wetenschappers daarom observatoria op bijvoorbeeld de Zuidpool of het Simons Observatorium in Chili. Bij die laatste is Meerburg zelf ook betrokken. ‘We hebben in Chili nog geen metingen gedaan die zwaartekrachtsgolven kunnen detecteren’, zegt hij. ‘Maar daar zijn we nu wel mee bezig.’

21 centimeter

Kosmische achtergrondstraling heeft echter zijn beperkingen als informatiebron. ‘Wanneer je deze straling meet, dan is dat een momentopname’, legt Meerburg uit. ‘Willen we meer weten over het ontstaan van het heelal, dan moeten we anders kijken.’

Hier komt 21-centimeterkosmologie om de hoek kijken. Met deze techniek kun je een 3D-plaatje van het heelal maken en bepalen hoe materie destijds verdeeld was.

‘In het heelal is er veel waterstof – heel veel’, vertelt Meerburg. In een waterstofatoom kunnen het elektron en het proton allebei draaien in dezelfde richting of juist in tegengestelde richting. ‘Er is een klein energieverschil tussen deze twee staten. Als het waterstofatoom van de hogere energietoestand naar de lagere gaat, zendt het een lichtdeeltje uit met een frequentie van zo’n 1400 MHz.’ Oftewel een golflengte van 21 centimeter.

‘Dat verschuiven van energietoestand gebeurt niet zo vaak’, zegt Meerburg. ‘Maar omdat er zoveel waterstof in het heelal is, kunnen we dit toch meten.’ Willen wetenschappers iets weten over het vroege heelal, dan is dit het enige dat ze kunnen waarnemen wat er toen ook al was, legt hij uit. ‘Sterrenstelsels ontstonden bijvoorbeeld pas veel later en zeggen dus niks over het hele vroege heelal.’

(On)eindig

Veel vragen dus en dus weinig aanknopingspunten. Gaat Meerburg de ontdekking van zijn heilige graal nog meemaken? Ligt eraan, denkt hij. ‘In 2050 weten we wel of dat haalbaar is voor de mens.’

Want hoewel het heelal misschien oneindig is, is onze meetapparatuur dat niet. Om bijvoorbeeld de polarisatie te meten van de achtergrondstraling zijn detectoren nodig. ‘Hoe meer je wilt weten, hoe meer detectoren je nodig hebt. Op een gegeven moment houdt dit op.’

Ook het uitdijen van het heelal speelt hier een rol. Hierdoor verschuift de golflengte van de kosmische achtergrondstraling. ‘Uiteindelijk, heel ver in de toekomst, kan deze zo verschoven zijn, dat hij voor mensen niet meer waarneembaar is’, vertelt Meerburg.

Het meten van zwaartekrachtgolven is namelijk ‘echt bizar moeilijk’. ‘In het heelal is heel veel ruis. Einstein opperde het bestaan van zwaartekrachtgolven al in 1916. Zijn gelijk werd in 2015 aangetoond, toen twee zwarte gaten samensmolten.’

Dat lijkt lang, maar vergeleken met de leeftijd van het heelal is een oogwenk. ‘Dat is toch wel heel bijzonder.’

U krant