Het ordelijke universum

Het universum is zoals bekend onvoorstelbaar groot en vrijwel overal onbewoonbaar voor de mens. Slechts met veel intelligentie en inspanning zijn we in staat om in een heel klein hoekje van de kosmos een oase van relatieve leefbaarheid te creëren en in stand te houden.

Toch is het universum natuurkundig verbazingwekkend systematisch en dankzij deze fundamentele orde kan de astrofysica veel over de geschiedenis van de kosmos ontdekken. De astrofysici maken gebruik van het feit dat de hele kosmos is opgebouwd uit dezelfde soorten deeltjes en van het gegeven dat overal in de kosmos dezelfde wisselwerkingen tussen deze deeltjes bestaan.

De natuur is fundamenteel ordelijk, maar
voor de mens vaak zeer chaotisch. Foto Corel.

Laten we eerst wat nader naar die deeltjes kijken. Materiële objecten zijn opgebouwd uit moleculen, en deze moleculen zijn weer opgebouwd uit atomen. Een substantie die uit slechts één atoomsoort bestaat wordt element genoemd. Belangrijk voor de studie van de kosmos is dat er in totaal slechts ongeveer 100 verschillende elementen bestaan. Vroeger meende men dat de atomen ondeelbaar waren, maar inmiddels is allang bekend dat ze zijn opgebouwd uit diverse soorten subatomaire deeltjes, zoals elektronen, protonen en neutronen. Men weet nu dat ook deze subatomaire deeltjes ook weer zijn opgebouwd uit nog veel kleinere deeltjes, de zogenoemde quarks. Omdat ze zo ontzettend klein zijn is het moeilijk deze quarks te bestuderen, maar inmiddels is wél bekend dat er diverse soorten van bestaan.

Waarschijnlijk zal men ooit ontdekken dat ook de quarks weer zijn opgebouwd uit nog veel kleinere deeltjes. Volgens de fractal-opvatting van de werkelijkheid kan er nooit een werkelijk ondeelbaar deeltje worden gevonden. Op ieder niveau zijn de daar aangetroffen deeltjes weer samengesteld uit nog veel kleinere deeltjes. Als deze fractal-hypothese juist is dan zijn er nog oneindig veel subniveaus onder het niveau van de quarks, onvoorstelbaar kleine werelden waarover we nog niets weten.

Vier fundamentele krachten

De wetenschap heeft nog lang niet alle vragen met betrekking tot de natuur en de kosmos opgelost, maar toch kan met de bestaande astrofysische kennis heel veel over de gang van zaken in het heelal worden begrepen. Een belangrijk gegeven is het feit dat er in de natuur, in de hele kosmos, vier belangrijke wisselwerkingen tussen allerlei deeltjes werkzaam zijn. Dit zijn: de elektromagnetische kracht, de zwaartekracht, de zwakke kracht en de sterke kracht.

De elektromagnetische kracht heeft een enorme reikwijdte, maar is vrij zwak. Deze kracht is van invloed op deeltjes die een elektrische lading hebben.
Ook de zwaartekracht heeft een zeer grote reikwijdte, en is eveneens slechts heel zwak. Dat de zwaartekracht op het oppervlak van een planeet zoals de aarde toch vrij sterk is komt omdat een planeet enorm veel massa bevat.
De zwakke kracht heeft slechts een heel klein bereik en is bijzonder zwak. Deze kracht speelt een essentiële rol bij de nucleaire processen die plaatsvinden binnenin de zon en andere sterren.
De sterke kracht heeft ook een zeer klein bereik, maar is heel krachtig. Deze kracht zorgt onder meer dat de protonen in atoomkernen door elkaar worden aangetrokken en bij elkaar blijven.

Overal en altijd hebben dezelfde soort deeltjes en dezelfde natuurwetten de ontwikkeling van de kosmos bepaald. Dit brengt ons tot een belangrijke vraag, waarop de wetenschap geen antwoord kan geven. Hoe is de fundamentele orde en uniformiteit in het heelal ontstaan? Is er een hogere macht aan het werk geweest, die de begincondities voor het ontstaan van de wereld heeft gecreëerd?

Van big-bang tot kosmos

De enorme omvang van het heelal is bij het astrofysisch onderzoek in sommige opzichten bijzonder gunstig. Dankzij de enorme afstanden bereikt het licht van sommige sterren en sterrenstelsels ons pas na miljoenen of zelfs miljarden jaren. Zo is men zelfs in staat verschijnselen waar te nemen die ongeveer 12,5 miljard jaar geleden hebben plaats gevonden. Dat is heel interessant want de ouderdom van de kosmos wordt thans geschat op 12 tot 15 miljard jaar.

In deze sterren in wording begonnen de atomen onder de invloed te komen van elkaars zwaartekracht en vervolgens vielen ze steeds sneller naar elkaar toe. Daarbij botsten ze tegen elkaar, waarbij ook andere fundamentele krachten actief werden en kernfusie-processen op gang kwamen die worden aangeduid als nucleosynthese. Daarbij worden waterstof-atomen omgezet in helium-atomen, waarvan er sommige vervolgens met elkaar reageren tot koolstof-atomen. Door nucleosynthese kunnen daarna ook uiteenlopende andere elementen ontstaan.

De temperatuur van de kosmische wolk, die inmiddels een ster is geworden, gaat enorm stijgen. Door de energie die bij de nucleosynthese vrij komt wordt de temperatuur in het inwendige van de ster steeds hoger: uiteindelijk wel miljoenen graden. Tenslotte ontstaat een toestand waarbij de verschillende krachten in een dynamisch evenwicht zijn. De ster kan zo miljarden jaren blijven bestaan en licht uitzenden.

Bewoonbare planeten

Planeten worden naar men aanneemt tegelijk gevormd met de ster waar ze bij horen. Aan de omtrek van de ster in wording vormen zich kleinere gaswolken, en daaruit ontstaan planeten. Ooit was ook de aarde zo'n gloeiende gasmassa die langzaam afkoelde en veranderde in een veel kleinere vloeistofbol.

Deze gloeiende massa stolde aan de buitenkant, waardoor de aardkorst ontstond. In de atmosfeer vormde zich waterdamp, die condenseerde en zeeën vormde.

De aarde is een bewoonbare planeet geworden dankzij het feit dat het licht van onze zon een bepaalde sterkte heeft en de aarde zich op een bepaalde afstand van de zon bevindt.
De afstand van de aarde tot de zon is ongeveer 150 miljoen km. Deze afstand is ook de lengte-eenheid voor afstanden binnen het zonnestelsel: de astronomische eenheid ofwel AE.

Dankzij uitzonderlijke omstandigheden is
de aarde een bewoonbare planeet. Foto Corel.

Door de temperatuur van de zon en de afstand van de aarde tot de zon kon op aarde het klimaat ontstaan zoals we dat nu kennen. De andere planeten in het zonnestelsel zijn niet bewoonbaar, en van de miljarden planeten in de kosmos is waarschijnlijk ook slechts een heel klein percentage bewoonbaar. De bewoonbaarheid van een planeet kan in de loop van miljarden jaren ontstaan, maar dat gebeurt alleen als er zeer uitzonderlijke condities aanwezig zijn.

Meerdere big-bangs?

Lang heeft men aangenomen dat het universum door de big-bang tot bestaan is gekomen. Vóór de big-bang was er niets, zelfs geen tijd, zo meende men. Sinds Japanse geleerden hebben ontdekt dat sommige soorten deeltjes al veel langer bestaan dan de circa 15 miljard jaar die sinds de big-bang zijn verlopen is men daar echter niet meer zo zeker van. Met name zijn er sterke aanwijzingen dat protonen honderdmiljard maal biljoen keer zo oud zijn als de geschatte levensduur van ons big-bang-universum.

Sommige astrofysici, waaronder Fred Hoyle, achten het niet onmogelijk dat er niet slechts één doch vele gebeurtenissen als de big-bang hebben plaatsgevonden, en nog steeds plaatsvinden. (Fred Hoyle: "The intelligent universe"; uitg. Michael Joseph, Londen, 1983; ISBN 0 7181 2298 4.) Wellicht was de big-bang niet het begin van het universum, maar een kosmische ramp van onvoorstelbare omvang in een reeds veel langer bestaand universum. Mogelijk zijn de enorme explosies die soms in de kosmos plaatsvinden, en ook de zogenoemde quasars, in feite een soort big-bangs. Zou het zo kunnen zijn dat de natuurwetten na iedere big-bang weer zorgen dat er opnieuw een wereld met sterren en planeten ontstaat? Hebben de natuurwetten tot doel het oneindige voortbestaan van het universum te garanderen?

Natuurwetten precies goed

In zijn boek "The Symbiotic Universe" (Uitg. William Morrow and Company, Inc., New York, 1988; ISBN 0-688-07604-1) maakt de astrofysicus prof. George Greenstein duidelijk dat de fundamentele natuurwetten precies van dien aard zijn dat de wereld zoals we die kennen moest ontstaan en voortbestaat.

Als de 4 fundamentele krachten in de natuur niet exact zo waren geweest als ze zijn bestond onze wereld waarschijnlijk nog steeds uit een enorme wolk waterstof-atomen. Dankzij de natuurwetten ontwikkelden zich echter kernfusie-processen waardoor groepjes van 4 waterstof-atomen zich combineerden tot één helium-atoom. Dit bijzondere gebeuren vindt in de kosmos nog steeds op grote schaal plaats, onder meer in de zon.

Greenstein zet uiteen dat deze en andere voor het leven in de kosmos essentiële kernfusie-reacties het resultaat zijn van het feit dat bepaalde fundamentele natuurwetten exact werken zoals ze doen. Zo zorgt de sterke kracht dat er uit meerdere protonen en neutronen opgebouwde atoomkernen kunnen voortbestaan. Als de sterke kracht iets zwakker zou zijn zouden zich geen stabiele helium-atoomkernen kunnen vormen. Ook allerlei andere atoomsoorten zouden dan niet bestaan, want alleen als zich eerst helium heeft gevormd kunnen door verdere kernfusie nog zwaardere atomen ontstaan.

Ook als de sterke kracht een weinig sterker zou zijn was onze wereld er thans niet geweest. Over hoe de wereld er dan wél uit had gezien zijn de geleerden het niet eens. Volgens Greenstein zouden uiteenlopende nucleaire reacties in sterren dan zeker heel anders verlopen, omdat de invloed van de zwakke kracht dan door de sterkere sterke kracht teniet gedaan zou worden. De zon zou dan mogelijk plotseling zeer snel opbranden, of - volgens andere theorieën - juist afkoelen en enorm uitzetten.

Chaos door complexiteit

De gang van zaken in de kosmos is dus in hoge mate het resultaat van de exacte aard van de natuurwetten. Zo weten we ook dat het voor het leven noodzakelijke - en gelukkig op aarde in overvloed aanwezige - element koolstof ooit dankzij heel exacte omstandigheden tot bestaan is gekomen in sterren van het type "rode reus". Daarbij reageerden steeds 3 helium-atomen met elkaar tot 1 koolstof-atoom, een uitzonderlijke kernfusie-reactie die desondanks op grote schaal plaatsvond.

Pas toen zich eenmaal koolstof had gevormd konden binnenin sterren door nucleosynthese ook allerlei andere elementen ontstaan. Koolstof is ook van vitaal belang omdat het een essentieel onderdeel vormt van veel moleculen die in levende organismen vitale functies vervullen. Kortom: zonder koolstof zou er geen wereld en geen levende natuur zijn.

Het lijkt erop dat natuurwetten ooit door God zijn bedacht en ingesteld om een ontwikkeling te starten die uiteindelijk moest leiden tot het ontstaan en voortbestaan van de kosmos en tot de ontwikkeling van voor het leven geschikte planeten. Ooit werd een ordelijk universum gecreëerd dat uit zichzelf alles voortbracht wat het leven nodig heeft.

Het eindresultaat van deze fysische orde is echter voor de mens vaak in eerste instantie volkomen chaotisch en onleefbaar. De fysische orde in het universum heeft een buitengewoon complexe natuurlijke omgeving opgeleverd die voor de mens vaak nauwelijks toegankelijk is. Mogelijk was ook dat de bedoeling van God. Wellicht heeft hij met opzet gezorgd dat de wereld die we als mens aantreffen een uitdaging vormt, zodat we in de gelegenheid zijn om onze vrije wil en onze creatieve vermogens te gebruiken om de wereld verder leefbaar te maken.