Wie zijn wij? Waar komen we vandaan? Wat is ons doel? Het zijn vragen die filosofen, theologen en geleerden sinds de oudheid hebben geïnspireerd en vaak hebben gekweld bij hun zoektocht naar antwoorden die wij misschien nooit zullen krijgen. De wetenschap heeft dus getracht het leven en de ons omringende werkelijkheid te verklaren door te “reizen” in de tijd naar de oorsprong van het heelal, het oermoment waaruit alles is ontstaan. Volgens astrofysici over de hele wereld werd deze oorsprong veroorzaakt door een gigantische explosie: de Big Bang.
Volgens de theorie van de wetenschapper Georges Lemaître, later gesteund en ontwikkeld door George Gamow, breidde het heelal zich tijdens zijn geboorte uit vanuit een punt van oneindige dichtheid totdat het zichzelf voortbracht. Bijgevolg is het kosmologisch model van de Big Bang gebaseerd op het idee dat het heelal in een eindige tijd in het verleden met een zeer hoge snelheid begon uit te dijen vanuit een toestand van extreme kromming, temperatuur en dichtheid, waardoor ruimtetijd ontstond. Niet alleen dat, maar men gelooft dat dit proces tot op de dag van vandaag doorgaat.
Wat is het heelal
Voordat we ons in de diepe ruimte storten en de oorsprong van het heelal op de een of andere manier gaan verklaren, is het goed om te definiëren wat precies wordt bedoeld met de term heelal, in wetenschappelijke termen natuurlijk. Volgens de literatuur wordt het heelal gewoonlijk gedefinieerd als het complex dat de gehele ruimte omvat en wat zich daarin bevindt, d.w.z. materie en energie, planeten, sterren, melkwegstelsels en de inhoud van de intergalactische ruimte.
Het waarneembare deel ervan is, althans op dit moment en met de technologieën waarover wij beschikken, ongeveer 93 miljard lichtjaar in diameter, hetgeen deskundigen doet vermoeden dat het gedurende het grootste deel van zijn geschiedenis en gedurende zijn gehele waarneembare omvang door dezelfde natuurkundige wetten en constanten wordt beheerst. Niet alleen dat, de “structuur” ervan maakt het absoluut mogelijk om conclusies te trekken uit de vroege delen, waardoor het bijzonder moeilijk is om de geschiedenis ervan met precisie te reconstrueren.
In elk geval is, zoals bekend, de oerknaltheorie het meest algemeen aanvaarde kosmologische model dat het ontstaan van het heelal beschrijft. Volgens berekeningen, uiteraard gebaseerd op onze lokale tijdrekening, zou deze gebeurtenis zo’n 13,8 miljard jaar geleden hebben plaatsgevonden. Theoretisch is de maximale waarneembare afstand vervat in het waarneembare heelal. Studies van verschillende supernova’s hebben aangetoond dat het heelal gestaag blijft uitdijen, en er zijn vele modellen opgesteld om het uiteindelijke lot ervan te voorspellen. In 1929 kondigde Edwin Hubble de ontdekking aan van de uitdijing van het heelal.
Door verschillende sterrenstelsels te observeren, kon hij ontdekken dat de meeste zich van de aarde verwijderden, aangezien hun spectra naar het rood gericht waren. Hij merkte ook op dat hoe groter hun afstand tot de aarde was, hoe sneller ze zich terugtrokken. Deze situatie kan worden verklaard door het eerste kosmologische beginsel, volgens hetwelk “de structuur en de eigenschappen van het heelal op grote schaal overal en te allen tijde dezelfde zijn”. Dit is, in het kort, de beroemde formule v = H r, waarbij v de snelheid is waarmee het heelal zich verwijdert, r de afstand en H, een getal dat bekend staat als de constante van Hubble, 53 km/s per miljoen parsecs.
Oorsprong van het heelal: de oerknaltheorie
Hubble’s waarnemingen hebben de dominante opvatting van het heelal als stationair in twijfel getrokken. Als het heelal aan het uitdijen is, moet de dichtheid ervan in feite variabel zijn. Sedertdien is de theorie op passende wijze gewijzigd om te stellen dat er een voortdurende schepping van materie moet zijn die gelijk is aan één waterstofatoom per kubieke centimeter elke miljoen miljard jaar. Pas later werd aangenomen dat het heelal is ontstaan uit een explosie meer dan 13 miljard jaar geleden, en dat de terugwijkende beweging een gevolg was van deze explosie.
De explosie staat bekend als de oerknal. Fysici van hun kant zijn onzeker over wat er voorafging aan de grote kosmische explosie: sommigen stellen modellen voor van een cyclisch heelal, anderen beschrijven een begintoestand zonder grenzen, waaruit de ruimtetijd ontstond en uitdijde op het moment van de oerknal. Anderen suggereren zelfs dat ons heelal slechts een van de vele mogelijke heelallen is.
Het oerknalmodel, een term die in 1949 door Fred Hoyle werd bedacht tijdens een BBC-radioprogramma en die destijds met een denigrerende connotatie werd gebruikt, wordt universeel erkend als het model dat het dichtst bij de verklaring van de oorsprong van het heelal staat en dat in de wetenschappelijke gemeenschap de overhand heeft op basis van astronomisch bewijsmateriaal en waarnemingen. Met name de goede overeenstemming van de kosmische abundantie van lichte elementen zoals waterstof en helium met de waarden die voorspeld worden als gevolg van het oer-nucleosyntheseproces, in combinatie met het bestaan van kosmische achtergrondstraling, met een spectrum dat overeenkomt met dat van het zwarte lichaam, hebben de meeste wetenschappers ervan overtuigd dat een Big Bang-achtige gebeurtenis meer dan 13 miljard jaar geleden heeft plaatsgevonden.
Toen de mens nog slechts de projectie van een zeer verre toekomst was. Vóór de Big Bang dacht men dat het heelal geconcentreerd was in een bol, met oneindige temperatuur en dichtheid. Daarbinnen moet zich een plasma hebben bevonden, een bijzondere toestand van materie waarin kernen en elektronen vrij zijn om chaotisch te bewegen, en die bestaat uit quarks en gluonen. De uitgesproken onstabiele situatie veroorzaakte de explosie, gevolgd door vier opeenvolgende fasen, die gewoonlijk worden aangeduid als ’tijdperken’: het tijdperk van het kwantumtijdperk, het tijdperk van de elektrowak, het tijdperk van de door straling gedomineerde materie en het tijdperk van de door materie gedomineerde materie.
De Oerknal-theorie is gebaseerd op twee fundamentele veronderstellingen, namelijk de universaliteit van de natuurwetten en het kosmologisch principe dat stelt dat op grote schaal het heelal homogeen en isotroop is. Hoewel de reconstructie onder bepaalde omstandigheden accuraat en geloofwaardig is, heeft de theorie, zoals vaak het geval is, beperkingen. Het volstaat te bedenken dat, idealiter teruggaand in de tijd, in een omgekeerd proces ten opzichte van de uitdijing, dichtheid en temperatuur toenemen tot een moment waarop rond deze waarden naar oneindig neigen en het volume naar nul neigt. De waarneming impliceert dat de huidige natuurkundige theorieën niet langer toepasbaar zijn, waardoor het proces ontstaat dat algemeen bekend staat als de singulariteit. Juist daarom lijkt de oerknal ontoereikend om de begintoestand te verklaren, maar biedt hij een goede beschrijving van de evolutie van het heelal vanaf een bepaald punt in zijn lange geschiedenis.
Buiten de oerknal
De oorsprong van het heelal volgens het oerknalmodel berust dus alleen voor de beschrijving van de evolutie van het heelal vanaf de oerkernosynthese op theorieën die zeker betrouwbaar zijn en door waarnemingen worden bevestigd. Bijgevolg zijn latere uitspraken over de algemene vorm van het heelal en de evolutie ervan in de verre toekomst bijzonder onzeker. Gezien de eindigheid van de lichtsnelheid wordt de waarneming beperkt door wat wij kunnen definiëren als een onbegaanbare horizon, die geen verdere extrapolatie toelaat.
Het model is bovendien gebaseerd op veronderstellingen die verband houden met de topologische eigenschappen van de ruimtetijd en de regelmatigheid daarvan, en is in feite slechts en uitgelezen hypothetisch. De huidige technologische vooruitgang en de recente waarneming van donkere energie hebben ons echter in staat gesteld onze kennis van het heelal, met inbegrip van de evolutie ervan, te verfijnen.
Van de bekendste nieuwe theorieën is er die volgens welke het heelal tot een bepaald punt bleef uitdijen en vervolgens ophield te groeien. Voor andere deskundigen zal de snelheid waarmee het heelal uitdijt geleidelijk afnemen en zal de versnelling bij 0 negatief worden, hetgeen leidt tot een Big Crunch en een terugkeer naar de toestand van singulariteit. Voor anderen zal het universum nooit ophouden met uitdijen, waardoor cyclisch de voorwaarden worden geschapen voor het bestaan van leven, zelfs als dit primordiaal is.
De laatste hypothese is verbonden met de naam van Alan Guth, die in 1984 door de meeste geleerden werd aanvaard, en als uiterst geloofwaardig werd beschouwd. De Oerknaltheorie, die in 1929 door Alexander Friedmann werd geformuleerd en in 1940 door George Gamow werd voltooid, behoudt zeker haar gezag, ook al erkent zij haar eigen beperkingen. Wat er aan de oerknal voorafging, blijft een mysterie, aangezien astrofysici weigeren om al te veel hypothesen naar voren te brengen, waardoor we blijven zitten met een verhaal dat wellicht nooit een verklaring zal krijgen die iedereen tevreden stelt.
Oorsprong van het heelal: alternatieve theorieën
Als een omvangrijk en typisch verdeeld onderwerp is de vraag naar de oorsprong van het heelal er een die onvermijdelijk vele geesten heeft geïnspireerd. Wat leidt tot evenzoveel theorieën en de daaropvolgende opkomst van een niet-standaard kosmologie. Zoals u wellicht al geraden heeft, verwijst deze term naar elk kosmologisch model van het heelal dat voorgesteld is, of nog voorgesteld wordt, als alternatief voor het Standaardmodel van de kosmologie, of de verwijzing daarin naar de Big Bang. In de geschiedenis van de ruimteobservatie zijn er veel onderzoekers geweest die expliciet kritiek hebben geuit op het “Big Bang”-model, hetzij door de fundamentele veronderstellingen ervan volledig te verwerpen, hetzij door nieuwe veronderstellingen toe te voegen die van cruciaal belang werden geacht voor de totstandkoming van nieuwe theoretische modellen van het heelal.
Met name in de jaren veertig en zestig van de vorige eeuw was de wetenschappelijke gemeenschap scherp verdeeld tussen de fervente aanhangers van de Big Bang en die van concurrerende theorieën op basis van het steady state-model. Tegenwoordig discussiëren nog maar weinig astrofysici over de werkelijke geldigheid ervan. Onder de exponenten van de niet-standaard kosmologie verdienen verscheidene namen uit de wetenschappelijke wereld, die vooral in de 20e eeuw actief waren, vermelding, zoals Fred Hoyle, Paul Dirac, Kurt Gödel, Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge, Halton Arp, Jayant V. Narlikar, Hannes Alfvén, Eric Lerner, Dennis Sciama, Ernst Mach, Thomas Gold, Hermann Bondi, Fritz Zwicky, Christof Wetterich, Mordehai Milgrom, en Johan Masreliez.