Wat veroorzaakt wiskundige orde in het heelal?

Schepping en evolutie
De hoogspecifieke complexiteit van het universum duidt op een God Die het doelbewust volgens een complex plan en rationele gedachten heeft geschapen, stelt de Duitse chemicus en filosoof Markus Widenmeyer.  beeld NASA
6

„Venus zou ons vermorzelen en roosteren, en op Mars zouden we naar adem snakken en bevriezen. De aarde is voor mensen een bijzondere plaats. Een kosmisch paradijs waar alle voorwaarden voor leven precies kloppen, in een verder doods heelal.”

Op een van de buurplaneten zou een mens het nog geen twee seconden uithouden. „We bevinden ons op een uitermate geschikte plek in het heelal. In een baan om een niet al te actieve ster, op een rustige plaats in de Melkweg”, schrijven Geraint Lewis en Luke Barnes van het Sydney Institute for Astronomy in hun boek ”A Fortunate Universe”.

Niet alleen de aarde, maar ook het heelal blijkt over exact de eigenschappen te beschikken die leven op aarde mogelijk maken. Nobelprijswinnaar Brian Schmidt typeert het universum als een fuga van Bach: van een elegante schoonheid, beheerst door wetten „die zich met wiskundige precisie verhouden tot de metronoom van de tijd.”

De deeltjes waaruit alle materie is opgebouwd en de natuurkrachten die de wisselwerking tussen de deeltjes bepalen, blijken nauwkeurig afgestemd voor het leven in het heelal. Ze zijn zo uitgebalanceerd dat een kleine bijstelling het heelal steriel en dood zou laten. In de stijl van Schmidt: een aanpassing zou forse dissonanten opleveren. „We zouden een kosmos hebben met alleen atomen, of één waarin planeten niet kunnen voorkomen.”

Het is net als bij een cakerecept: wie afwijkt van de hoeveel boter, suiker, eieren en zelfrijzend bakmeel krijgt een misbaksel. In het heelal luistert de afstemming nog veel nauwer dan bij een cake: daar gaat het soms om de cijfers achter de komma.

Het universum herbergt talloze planeten: die van ons zonnestelsel zijn niet de enige. Ook elders in het heelal komen ze voor, de zogeheten exoplaneten. Er blijken talloze exoplaneten om sterren te cirkelen. Volgens schattingen van astronomen bevat het waarneembare heelal 100 miljard keer 100 miljard sterren. In totaal zijn dat er 10 triljard – een 1 met 22 nullen. Het aantal exoplaneten is daar een veelvoud van.

Nobelprijs

Inmiddels zijn er zo’n 4000 exoplaneten bekend. De Zwitserse astronomen Michel Mayor en Didier Queloz ontdekten de eerste in 1995. Op 10 december hopen ze daarvoor de Nobelprijs voor Natuurkunde te ontvangen. Onderzoekers van Penn State University schatten dat er om ongeveer 1 op de 33 zonachtige sterren een aardachtige planeet cirkelt. Onze aarde lijkt daarom niets bijzonders.

Maar dat is schijn, betogen Lewis en Barnes. De aarde is nog altijd de enige bekende planeet met leven. „Meer dan 99,999999 procent van het heelal is uiterst ongastvrij voor leven. Het is er met -270 graden Celsius onvoorstelbaar koud of met meer dan 1 miljoen graden immens heet.” Hoewel het heelal is gefinetuned voor leven, maken die omstandigheden het voorkomen van leven op aarde zeer uitzonderlijk.

A Fortunate Universe. Life in a Finely Tuned Cosmos, Geraint F. Lewis en Luke. A. Barnes; Cambridge University Press, Cambridge, 2019; ISBN 9781107156616; 374 blz.; € 20,-

Das geplante Universum. Wie die Wissenschaft auf Schöpfung hindeutet, Markus Widenmeyer; SCM Hänssler, Holzgerlingen, 2019; ISBN 9783775159609; 156 blz.; € 10,-

....

Oorsprong van het heelal: multiversum, toeval of... een Schepper

Waar komt de uiterst precieze afstelling van het heelal waardoor er leven mogelijk is vandaan? Op die vraag hebben tal van gerenommeerde wetenschappers hun tanden stukgebeten. Wonen we in een universum dat er een van vele is; een zogeheten multiversum, zoals de Britse kosmoloog Stephen Hawking meende? Is ons heelal een gelukkige toevalligheid, zoals veel andere wetenschappers stellen? Of… bestaat er een Schepper, Die alles zo heeft geschapen?

Wetenschappers en filosofen zijn al decennialang bezig om deze finetuning voor leven te verklaren. De Australische natuurkundige Paul Davies somt in zijn boek ”The Goldilocks Enigma” (2006) zeven mogelijkheden op die de uitzonderlijk precieze fijnafstelling van het heelal moeten ophelderen, de ene nog absurder dan de andere.

De Australische astrofysicus Luke Barnes fileert het idee van het multiversum in een artikel op de wetenschappelijke website arXiv van Cornell University (VS): Is ons heelal een van de vele heelallen in een multiversum? Is het dan toevallig dat er in ons heelal leven mogelijk is en dat er intelligent leven bestaat om ons heelal te observeren? „Helaas is deze visie (een multiversum, BvdD) volstrekt hypothetisch en niet toetsbaar”, concludeert Barnes ten slotte.

„Ten diepste is finetuning geen wetenschappelijk probleem dat kan worden verklaard vanuit natuurwetten. Sterker, we moeten een verklaring vinden voor de natuurwetten zelf, en voor de toevallige omstandigheid dat deze natuurwetten en de vereisten voor intelligent leven zo nauw op elkaar aansluiten.”

Sommige kosmologen denken een uitvlucht te hebben en beweren dat het universum misschien is ontworpen door aliens van buiten ons heelal. Deze ontwerpers moeten vervolgens zelf het product zijn van een evolutieproces in hun eigen universum. De vervolgvraag is waar dat universum dan vandaan is gekomen. Ook daarop heeft de wetenschap geen antwoord.

Kan willekeurig toeval ons universum in een multiversum dan zo uitzonderlijk geschikt maken voor leven? De christelijke filosoof Alvin Plantinga meent van niet. „Dat is uiterst onwaarschijnlijk. Het bestaan van ons universum is veel aannemelijker als er Iemand als God bestaat”, schrijft hij in zijn boek “The Dawkins Confusion” (2007).

De Australische astronoom Geraint Lewis werpt echter tegen dat het Godsbestaan geen wetenschappelijke papieren heeft. Maar zijn collega Barnes stelt daartegen dat God en wetenschap geen concurrenten van elkaar zijn. Het theïsme heeft juist een verklaring voor het bestaan van dit heelal, terwijl het atheïstische naturalisme dat niet heeft, betoogt hij in hun beider boek ”A Fortunate Universe”. „Het succes van de wetenschap is niet de triomf van het naturalisme. En de voorspellingen van het naturalisme zijn niet de voorspellingen van de wetenschap.”

Ontwerpargument

Het teleologische of ontwerpargument heeft bovendien altijd deel uitgemaakt van de westerse filosofische traditie. „Het is een van de vele argumenten voor het Godsbestaan. Het universum had ook heel andere eigenschappen kunnen hebben, maar ze bestaan zoals ze zijn. Ze hebben dus uiteindelijk een eerste, niet-veroorzaakte Oorzaak, een ongeschapen Schepper. Het bestaan van een oneindig Wezen als God, Die de reden van Zijn bestaan in Zichzelf heeft, is dus een vereiste: God is noodzakelijk voor het bestaan van ons universum”, betoogt Barnes.

Ook de Duitse chemicus en filosoof Markus Widenmeyer meent dat er „geen goede argumenten bestaan die het Godsbestaan onwaarschijnlijk maken.” In zijn boek ”Das geplante Universum” draagt hij tal van argumenten aan dat het universum een weerslag is van Gods Wezen. Hij wijst op de schoonheid, intelligentie, orde en creativiteit ervan. „De hoogspecifieke complexiteit van het universum duidt op een God Die het volgens een complex plan en rationele gedachten heeft geschapen.” Sterker, het heelal is doelbewust gemaakt om het leven op aarde mogelijk te maken, gezien zijn „logisch-wiskundige aard.”

Barnes sluit zich daarbij aan: „Het universum is voor zijn bestaan zelfs helemaal afhankelijk van God, van moment tot moment. God is de ultieme Oorzaak van alles wat bestaat. De natuurwetten zijn het middel waarmee God Zijn universum in stand houdt.”

....

Wonder van complexiteit

Wat is leven? Prof. dr. Geraint Lewis en dr. Luke Barnes gaan in hun boek ”A Fortunate Universe” op wetenschappelijke ontdekkingsreis. Handboeken definiëren het als ‘iets’ wat kan groeien, stofwisseling heeft, zich kan aanpassen aan verstoringen en zich kan reproduceren. „Leven, zelfs van een enkele ‘simpele’ cel, is een wonder van complexiteit.”

Behalve dat tal van ingenieuze inwendige systemen hem laten functioneren, kan de cel binnen twintig minuten een complete, werkende kopie van zichzelf produceren. „Een moderne computer kan heel wat, maar dat kan hij toch echt niet.”

De stap naar intelligent leven is immens. „We weten nu dat het menselijk lichaam een systeem is van chemische signalen die op elkaar inwerken, een gecompliceerd netwerk van processen die ons noodzaken om te eten, te slapen, te bewegen, en in het algemeen: te leven”, schetsen de Australische astronomen. Het lichaam bevat tal van celtypes, die elk een verschillende rol hebben in het lichaam. Elke cel is een chemische fabriek op zich.

De meeste cellen beschikken over een celkern, met daarin het erfelijk materiaal, de ‘software’ en de ‘data’ die vastliggen in het DNA. Dit DNA is nodig om talloze processen in de cel te sturen. Hoe zulke informatie bij toeval kan ontstaan, is onbekend. Sterker, de mogelijkheid dat zo’n cel spontaan bij toeval ontstaat, tart elke realistische kansberekening.

....

Uitzonderlijke finetuning

De nauwkeurige afstemming van het heelal waardoor leven kan bestaan, is opmerkelijk. Deze finetuning geldt onder meer de vier fundamentele natuurkrachten. Dit zijn de zwaartekracht, elektromagnetische kracht en de sterke en zwakke kernkracht. Deze krachten werken zowel op heel kleine als op heel grote schaal.

De Britse astronoom Martin Rees beschrijft zes verschijnselen in het heelal die nauwkeurig op elkaar zijn afgestemd om leven mogelijk te maken. Zo is de elektromagnetische kracht 10exp36 (een 1 met 36 nullen) keer de sterkte van de zwaartekracht. Zou deze kleiner zijn, dan zou er een klein en kortstondig universum kunnen bestaan.

De zwaartekracht en de uitzettingskracht van het heelal zijn opmerkelijk precies op elkaar afgestemd. Als de zwaartekracht te sterk zou zijn, zou het universum snel instorten; een te zwakke zwaartekracht zou het bestaan van sterren en planeten onmogelijk maken.

Om hemellichamen in stand te houden moet de kosmologische constante extreem klein zijn (10exp-122). De verhouding tussen de massa-energie en de zwaartekrachtsenergie van een object moet ook voldoen aan een vaste waarde (10exp-5).

Verder is volgens Rees een driedimensionale ruimte noodzakelijk voor leven. In een twee- of vierdimensionaal ruimte kan het niet bestaan.

Ten slotte houden de kernkrachten de elementen –de atoomsoorten waaruit alle materie is opgebouwd– in stand. Wanneer de sterke kernkracht een beetje sterker of zwakker zou zijn, zouden de atomen spontaan uit elkaar vallen. In zo’n geval kan bijvoorbeeld alleen waterstof bestaan. Leven is dan niet mogelijk.

Hetzelfde geldt voor de natuurconstanten en de natuurwetten. Een van de belangrijkste subatomaire deeltjes is het elektron. De massa van het elektron is altijd hetzelfde. Of dat op aarde wordt gemeten of 14 miljard lichtjaar ver weg, het weegt altijd 9,10938215exp-31 kilogram. De massa’s van andere subatomaire deeltjes zijn een veelvoud van die van een elektron.

Hoe belangrijk de massa van een elektron is, blijkt wel uit wat er gebeurt wanneer een elektron zwaarder zou zijn. Alle atomen zouden dan uit elkaar vallen. „Er zouden geen vaste stoffen kunnen bestaan, geen planeten, geen DNA, geen botten, geen levende cellen, geen organen. Kortom, er resteert een enorme puinhoop zonder leven”, stellen de Australische astronomen Geraint Lewis en Luke Barnes in hun boek ”A Fortunate Universe”. „Als dergelijke eigenschappen maar een fractie veranderen, zouden de natuurkunde en scheikunde van ons universum niet bestaan.”

Sterker, volgens hen kan leven alleen maar voorkomen in ons heelal, omdat het in andere, denkbeeldige heelallen niet mogelijk is. „De kleinste bestanddelen van het universum beïnvloeden de grote structuren enorm. In het bijzonder de chemie van leven. Het kleine bepaalt het grote: de staart kwispelt in dit geval de hond.”

serie Leven in het heelal

De Nobelprijs voor Natuurkunde gaat dit jaar naar de ontdekkers van exoplaneten en een oerknalonderzoeker.

Deel 2: Hoe komt het dat er leven in het heelal kan voorkomen?