Het is voor het menselijk brein maar moeilijk te bevatten. Het idee dat iets, wat dan ook, oneindig groot kan zijn. Alles dat we kennen, is immers eindig: de stad waarin we wonen, de uitgestrekte wateren van onze oceanen, de atmosfeer boven onze hoofden, zelfs de planeet waarop we rondlopen.
Echte oneindigheid vind je alleen in de wiskunde. Want bedácht heb je het zo, iets waar geen eind aan komt. Een rij getallen, bijvoorbeeld, waar je je hele leven aan kunt blijven tellen zonder dat je ooit klaar bent. En toch stellen sommige natuur- en sterrenkundigen dat oneindigheid meer is dan louter theorie. Zij vermoeden dat het heelal oneindig groot is.
Dat blijkt iets dat bij veel lezers een stemmetje opwekt dat zegt: doe niet zo mal. Iets dat oneindig is, kán niet bestaan. Dat is althans de conclusie die je zou kunnen trekken uit de mailbox van de Grote Vragen van de wetenschapsredactie van de Volkskrant, die dit jaar onder meer vol stroomde met varianten op deze vraag: is de kosmos echt oneindig groot? Of, in de formulering van lezer Pierre Vermeulen: waar eindigt het heelal?
Over de auteur
George van Hal schrijft voor de Volkskrant over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart. Hij publiceerde boeken over alles van het heelal tot de kleinste bouwstenen van de werkelijkheid.
‘Er is één overweldigend wetenschappelijk gegeven dat vrijwel onomstotelijk vaststaat: er zit een eindige hoeveelheid tijd in het heelal. In totaal 13,8 miljard jaar, om precies te zijn’, zegt hoogleraar astrofysica Vincent Icke van de Universiteit Leiden. Astronomen kennen de tijd die verstreken is sinds de oerknal, het begin van het heelal, onder meer doordat ze die indirect kunnen afleiden uit de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van die oerknal.
In de tijd is het heelal dus niet oneindig en dat heeft weer invloed op de vraag of de kosmos begrensd is in de ruimte. Daarbij speelt een tweede feit een belangrijke rol: dat óók de snelheid van het licht eindig is. ‘Uitkijken in de ruimte, is daardoor terugkijken in de tijd’, zegt Icke. ‘We zien de maan zoals deze er 1,3 seconden geleden uitzag, de zon zoals deze er 8,3 minuten geleden uitzag en het Andromedastelsel zoals dat er ruim 2 miljard jaar geleden uitzag.’
Zo doorgaand kun je op dit moment maximaal 13,8 miljard jaar diep de kosmos in kijken. Daarna is de tijd ‘op’. Althans: voorlopig. ‘Dat betekent dat je een bol met een straal van 13,8 miljard jaar om ons heen kunt trekken. En daar voorbij is er niets’, zegt Icke.
Ziedaar het beste wetenschappelijke antwoord op deze vraag, zegt Icke. Het einde van het heelal is het gebied – in alle richtingen – waar licht 13,8 miljard jaar geleden vertrok. Daar bevindt zich wat astronomen de waarneemhorizon noemen. ‘Daar voorbij is niets. Geen tijd, geen ruimte, geen materie’, zegt hij. Over en uit.
De waarneemhorizon ligt niet vast, maar verschuift met de tijd. Wie wacht, heeft tot nog toe kunnen zien dat het heelal groter is geworden, simpelweg doordat er meer tijd bijgekomen is. Het lijkt dus alsof buiten die waarneemhorizon nog een voorraadje ruimte voorhanden is, waar we door te wachten steeds meer van kunnen zien. ‘Dat klopt in zekere zin’, zegt Icke. ‘Over een miljard jaar krijg je er een miljard lichtjaar bij.’
Tegelijk heeft het geen enkele zin om over voor ons onzichtbare ruimte te praten, vindt hij. ‘Alles voorbij de waarneemhorizon is bedachte ruimte. Er bestaat geen enkele manier waarop je er kennis van kunt nemen.’
Licht van zo ver weg kan ons immers niet bereiken. Je kunt zelfs geen ruimteschip bouwen om erheen te vliegen. Want het heelal dijt ondertussen ook uit, groeit steeds groter. Het gebied waaruit licht ooit 13,8 miljard jaar geleden richting ons vertrok, destijds op 13,8 miljard lichtjaar afstand, ligt daardoor inmiddels al 45,7 miljard lichtjaar bij ons vandaan. Tegen die uitdijingssnelheid kun je met een ruimteschip, dat ook met maximaal de lichtsnelheid kan vliegen, nooit op.
‘Je kunt over de ruimte voorbij de horizon natuurlijk wel fantaseren’, zegt Icke. ‘Maar dan verlaat je de natuurkunde en kom je terecht in de filosofie of de literatuur. Het gebied waarover kaartenmakers vroeger zeiden: hier zijn draken. Dat soort nieuwsgierigheid is heus dierbaar en waardevol, maar je stelt dan geen wetenschappelijke vragen meer. Het gebied voorbij de horizon kan niet met ons wisselwerken. En dus heeft het natuur- en sterrenkundig gezien geen enkele betekenis.’
Een grove 200 kilometer verderop, op kosmische schaal een verwaarloosbaar klein stukje, ziet hoogleraar kosmologie Rien van de Weijgaert van de Rijksuniversiteit Groningen het ietwat anders. ‘We weten niet hoe groot het heelal is. Voor zover we weten is niets in strijd met het idee dat het oneindig groot is. Het is sowieso ontzettend veel groter dan het waarneembare heelal’, zegt hij.
Waar Icke de grens trekt bij de waarneemhorizon, kijkt Van de Weijgaert met andere woorden vol interesse over die grens heen. Hoeveel heelal er nog buiten de horizon is, weet niemand. Maar volgens Van de Weijgaert kun je dat wel beredeneren.
Kosmologen bedachten eerder al dat het formaat van het heelal invloed heeft op de route van het licht door dat heelal. In een eindig heelal zou een lichtstraal van de ene kant weer uit moeten komen aan de andere kant. Precies zoals je bij een wandeltocht in rechte lijn over het aardoppervlak, uiteindelijk altijd op hetzelfde punt belandt.
Een gesloten universum, heet dat ook wel. Een heelal met een zodanige kromming dat lichtstralen naar elkaar toe buigen. Het heelal kan ook open zijn: waarbij lichtstralen juist van elkaar af bewegen. Of plat: waarbij lichtstralen altijd rechtdoor blijven vliegen. Een plat heelal is waarschijnlijk (maar niet per definitie) ook oneindig.
In wat voor type heelal we leven, kun je afleiden uit de vorm van patronen in de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van de oerknal, een vlekkenpatroon van gebiedjes die destijds een beetje heter of kouder waren. In dat patroon zou je afwijkingen kunnen ontdekken, die de route onthullen die het vroege licht door de kosmos heeft afgelegd. Als het heelal niet plat – en dus waarschijnlijk oneindig – is, zouden de vormen van het patroon iets vertekend moeten zijn. ‘Maar zo’n handtekening is nooit gevonden’, zegt Van de Weijgaert.
Het betekent dat als die afwijkingen bestaan, ze zodanig klein zijn dat we ze niet kunnen meten. De afwijking van een plat heelal moet in dat geval kleiner zijn dan 0,25 procent. De enige conclusie: het heelal moet of oneindig groot zijn of gewoon onbevattelijk gigantisch, veel groter dan het gedeelte dat we kunnen zien. ‘Want hoe groter het heelal is, hoe kleiner – en dus moeilijker meetbaar – zo’n handtekening is.’
Studies die schattingen doen over hoe groot het heelal precies is, lopen ondertussen nogal uiteen. Onderzoekers uit Oxford berekenden in 2011 in het vakblad Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dat de kosmos 251 keer groter is dan het waarneembare heelal, in totaal ruim 23 duizend miljard lichtjaar dus.
Als dat flink klinkt, heeft u de totaal waanzinnige schatting van de Canadese natuurkundige Don Page nog niet gehoord, die in 2007 in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics schatte dat het heelal 10^10^10^122 (10 tot de macht tien tot de macht tien tot de macht 122) megaparsec groot is (een megaparsec is 3,26 miljoen lichtjaar). Dat getal is zo duizelingwekkend gigantisch dat je het letterlijk niet meer in woorden kunt uitdrukken. In het dagelijks taalgebruik zou je misschien zelfs kunnen zeggen dat het heelal dan ‘praktisch oneindig’ is.
En ja, zegt Van de Weijgaert – dat is echt wetenschap. Het gebied voorbij de horizon is immers direct verbonden met het heelal dat we zien. En dus kunnen we er indirect wel degelijk iets over leren.
Dat kun je overigens op je klompen al aanvoelen, stelt hij. Kijk opnieuw maar naar de kosmische achtergrondstraling. ‘Die is afkomstig van ongeveer 379 duizend jaar na de oerknal. Op dat moment was het waarneembare heelal veel kleiner. Een bol met een straal van iets meer dan een miljoen lichtjaar.’
Sindsdien is het waarneembare heelal – simpelweg door het verstrijken van de tijd – veel groter geworden. Een bol van een miljoen lichtjaar is aan de hemel nog maar een klein vlekje, ongeveer 1 graad van een gradenboog van 180 graden. ‘Dat kleine vlekje en het vlekje er meteen naast lagen destijds dus volledig buiten elkaars horizon. Nu zie je dat die volumes deel zijn van een veel groter geheel’, zegt Van de Weijgaert. Tot nog toe is het dus altijd zo geweest dat achter de horizon steeds meer heelal zat. ‘Het is dan heel plausibel dat er buiten het huidige waarneembare ook veel meer zit.’
Stel dat Van de Weijgaert gelijk heeft, en er is buiten de waarnemingshorizon inderdaad nog heel veel ruimte, zijn er dan plekken in het heelal, een stuk verderop wellicht, misschien zelfs 10^10^10^122 megaparsec verderop, die in hun zichtbare deel van het heelal een buitengrens zien? Een plek waar ‘iets’ plots overgaat in ‘niets’, een grens aan onze werkelijkheid?
Het is een idee waar tot nog toe vooral sciencefictionschrijvers zich over hebben gebogen. Volkskrant