Wormgaten en andere speculaties

Wat Hollywood vanuit de wiskunde pakt

Wormgaten. Witte gaten. Multiversa. Tijdreizen. Dit zijn niet allemaal fantasie — sommige volgen rechtstreeks uit de wiskunde van Einstein. Maar er is een cruciaal verschil tussen wat de wiskunde toelaat en wat de natuur doet. Laat me je meenemen in wat daar tussen ligt.

Wat is een wormgat?

Einstein's algemene relativiteit laat oplossingen toe waarin ruimtetijd zó gebogen is dat twee verre punten direct met elkaar verbonden worden via een soort "kortere weg". Dat is een wormgat (formeel: Einstein-Rosen brug, 1935).

Stel je een vel papier voor, plat, met twee stippen ver uit elkaar. Rechte lijn tussen de stippen = lange weg. Vouw nu het papier zodat de stippen bij elkaar komen en steek een potlood erdoorheen — je verbindt de twee punten direct. Dat is de analogie. In echte ruimtetijd ziet het er anders uit, maar het principe is: gebruik een kromming van ruimte zelf om afstanden te overbruggen die licht normaal miljoenen jaren zou kosten.

Het probleem met stabiliteit

De wiskundige wormgaten die Einstein en Rosen beschreven, waren onbruikbaar als "poort" — ze bestonden voor een fractie van een seconde voordat ze dichtsloegen. Een wezen dat probeerde erdoorheen te reizen, zou vermorzeld worden voordat het halverwege was.

Om een wormgat open te houden, moet je iets afstotends hebben in ruimte. Iets met negatieve energie. Dat is... exotisch, zoals we zeggen. We weten niet zeker of het bestaat.

Kwantummechanica zegt dat er kleine, kortstondige schendingen van "positieve energie-conditie" zijn (Casimir-effect). Maar in meetbare hoeveelheden, op macroscopische schaal, nog nooit gezien. Als het niet bestaat, zijn stabiele wormgaten onmogelijk. Alleen flits-verbindingen die niets nuttig doen.

Tijdreizen via wormgaten

Hier wordt het kreupel. Stel je wél een stabiel wormgat hebt. Theoretisch kun je het zo inrichten dat de twee uiteinden in verschillende tijden liggen.

Hoe? Houd één uiteinde in een diep zwaartekrachtveld (bv. dichtbij een neutronenster) — daar tikt de tijd trager. Het andere uiteinde laat je in normale ruimtetijd zweven. Na een tijdje zijn de twee uiteinden uit elkaar gelopen — er zit een "tijdsverschil" tussen. Stap je in de "trage" kant, kom je uit de "snelle" kant in een tijd die voor jou de toekomst is.

Belangrijk detail: je kunt alleen zo ver terug als het moment waarop het wormgat werd gemaakt. Geen dinosauriërs ontmoeten. Tenzij iemand miljoenen jaren geleden al een wormgat heeft gemaakt dat er nog steeds is. (Onwaarschijnlijk.)

De grootvader-paradox

Terug in de tijd reizen brengt een klassiek probleem met zich mee. Stel je reist terug en vermoordt je eigen grootvader voordat hij je ouders had. Dan ben je nooit geboren. Dan kon je niet terugreizen. Dan is je grootvader nooit vermoord. Dan ben je wel geboren. En zo verder. De logische knoop die zichzelf uitwist.

Oplossingen die serieus genomen worden:

• Niet mogelijk: terugreizen is gewoon niet mogelijk. De natuur voorkomt paradoxen. Stephen Hawking noemde dit de "Chronology Protection Conjecture".
• Parallel universum: als je terugreist, kom je in een parallel universum uit. Je verandert dat universum, niet je eigen. Jouw eigen leven blijft consistent.
• Zelfconsistentie: het universum staat alleen tijdreizen toe als alles consistent blijft. Je kunt proberen je grootvader te vermoorden, maar iets voorkomt het altijd. Vrije wil is misschien een illusie.

Welk van deze klopt? Niemand weet. Waarschijnlijk zelfs niet relevant, want terugreizen in de tijd is misschien ronduit onmogelijk.

Witte gaten

Waar zwarte gaten alles opslokken en niets uitspuwen, doen witte gaten het omgekeerde. Ze spuwen continu materie uit en slikken nooit iets op.

Wiskundig bestaan ze (complementair aan zwarte gaten in Einstein's vergelijkingen). Fysiek: nog nooit gezien. Waarschijnlijk niet bestaand in realiteit — de "verleden-lichtkegel" van een wit gat stopt bij zijn ontstaan, wat fysisch moeilijk te maken is.

Sommige ideeën: zou de Big Bang zelf een wit gat kunnen zijn geweest? Of sommige onbegrepen "Fast Radio Bursts"? Interessante suggesties, geen bewijs.

Multiversum

Verschillende theorieën suggereren dat ons universum niet uniek is, maar één van vele. De meest geciteerde:

1. Bubble universes (eeuwige inflatie): tijdens inflatie ontstaan constant nieuwe "bubbels" die elk een eigen universum worden. Onze Big Bang was één bubbel in een eindeloze schuimende realiteit.
2. Many-worlds (kwantummechanica): elke kwantummeting splitst de werkelijkheid in meerdere versies. Elk mogelijk resultaat gebeurt in een eigen parallel universum.
3. String-theorie-landschap: er zijn 10⁵⁰⁰ mogelijke fysische configuraties in stringtheorie. Elk een mogelijk universum met andere natuurwetten.

Hier ben ik helder: dit zijn voorstellen. Er is geen direct experimenteel bewijs voor een ander universum. Sommige natuurkundigen nemen multiversum serieus; anderen vinden het pseudo-wetenschap omdat het niet falsifieerbaar is. Een gezonde wetenschappelijke houding is: open, maar niet overtuigd.

Wat we wél zeker weten

• Zwarte gaten: gefotografeerd, mathematisch begrepen, duizenden gedetecteerd.
• Neutronensterren: gefotografeerd, honderden bekend, botsingen waargenomen.
• Zwaartekrachtgolven: gedetecteerd, dus ruimtetijd buigt echt.
• Wormgaten, witte gaten, multiversum, tijdreizen: mathematisch mogelijk, nooit waargenomen.

De eerste drie zijn feit. De vierde is serieus overwogen door natuurkundigen, maar bewijs ontbreekt. Hollywood haalt die scheiding vaak weg en presenteert alles als even vast. Maar in wetenschap is er een belangrijk verschil tussen "mogelijk" en "waar".

Kleine hoop

In de jaren 2020 hebben natuurkundigen met kwantumcomputers een "simulatie" van een wormgat gemaakt. Niet een echt wormgat — een mathematisch model dat zich als eentje gedraagt, op een kleine schaal. Baby stappen. Misschien begrijpen we over 50 jaar dingen die we nu niet bevatten.

Wetenschap is de kunst van geduldig doorgraven. We staan in elk decennium verder dan voorheen. Ik zou graag willen leven tot we deze vragen beter begrijpen — maar ik moet die tijd voor volgende generaties laten.

Volgende week gaan we naar het meest raadselachtige van de moderne natuurkunde: relativiteit en tijd. Inclusief een echte rekenmachine waar je zelf mee kunt spelen om tijdsdilatatie te voelen.