Het universum als meetinstrument

Wat doe je wanneer zelfs de grootste deeltjesversneller ter wereld te klein is voor je experimenten? Dan kijk je gewoon naar de Oerknal, de grootste explosie in de geschiedenis. Dat is wat theoretisch natuurkundige Diederik Roest van de RUG doet, in zijn zoektocht naar een theorie die verklaart hoe ons universum werkt. Zware kost? Hij legt het graag op middelbare scholen uit. En op 35 jarige leeftijd is Roest verkozen tot lid van De Jonge Akademie (DJA), een select gezelschap van 50 jonge wetenschappers die in Nederland actief zijn.

Het is een hele eer om lid te mogen worden van De Jonge Akademie. ‘Eerst moet je een nominatie krijgen, daarna schrijf je zelf een brief waarin je toelicht waarom je erbij wilt en dan volgt er nog een gesprek’, vat Roest de procedure samen. In maart zal hij als lid worden geïnstalleerd, voor een periode van vijf jaar.

‘Ik heb al meegedaan met een programma waarin DJA leden scholen bezoeken, ‘DJA on wheels’. Scholen bezoeken deed ik sowieso al maar dit was erg leuk.’ Waar hij zelf doorgaans in havo en vwo klassen komt, ging Roest met DJA ook naar een vmbo. ‘En ook dat was een succes.’

Wetenschap naar het grote publiek brengen is een van de aandachtspunten voor Roest bij DJA. ‘Het andere is wetenschapsbeleid. De laatste jaren heeft de wetenschap nogal wat klappen gekregen, door bezuinigingen maar ook doordat het gezag is aangetast. Te vaak is wetenschap als ‘ook maar een mening’ weggezet.’ Het populariseren en verdedigen van wetenschap is dus zijn missie. ‘Ja, maar ik moet bekennen dat ik nog geen uitgewerkt programma daarvoor heb.’

Het lidmaatschap van DJA zal hem naar verwachting een halve dag per week kosten, plus wat avonden. Dus heeft hij minder tijd voor eigen onderzoek. ‘Ja, dat zou me wel een publicatie per jaar kunnen kosten. Maar daar staat tegenover dat het een fantastische ervaring zal zijn om deel uit te maken van een club van jonge honden die allemaal op hetzelfde punt in hun carrière staan’, zegt Roest. ‘Ik verwacht dat we veel van elkaar kunnen opsteken, bijvoorbeeld over hoe je een eigen groep runt.’

Roest begon aan het bouwen van zijn eigen ‘String Cosmology’ groep in 2008, toen hij een VIDI onderzoeksbeurs binnenhaalde. ‘Die is nu zo’n beetje op, maar de groep draait prima.’ Zijn onderzoeksterrein is de hoge energie fysica. ‘We werken aan de snaartheorie, die fundamentele deeltjes beschrijft als superkleine snaartjes. De trilling daarvan bepaalt de eigenschap van de deeltjes.’

De snaartheorie, die al ruim veertig jaar bestaat, beschrijft materie op een ultra-kleine schaal. ‘Dit betekent dat je heel hoge energieën nodig hebt om die schalen te bestuderen. Zo hoog dat je ze hier op aarde nooit kunt bereiken.’ Daarom wordt wel gezegd dat de voorspellingen die uit de snaartheorie volgen niet te testen zijn. ‘Maar dat is niet juist.’ Elders in het universum vinden wel degelijk processen plaats met de energie die nodig is om de snaartheorie te testen. De moeder van alle hoogenergetische processen is natuurlijk de Oerknal.

‘Er zijn twee belangrijke momenten waarop we processen in het universum kunnen meten’, legt Roest uit. ‘Het eerste moment is het heden. De bestudering van het heden heeft ons veel geleerd over de manier waarop het universum werkt. We kunnen nu prima verklaren hoe gewone materie zich gedraagt, maar die omvat slechts vier procent van de energie-inhoud van het heelal.’ Het tweede belangrijke meetpunt ligt op 300.000 jaar na de Oerknal, toen het eerste licht verscheen in het gloeiend hete plasma.

‘Dat licht noemen we de kosmische achtergrondstraling, een uniforme straling waarin het hele heelal baadt.’ Deze straling heeft een temperatuur van 2,7 Kelvin (ongeveer minus 271 graden Celsius). ‘En ze is waar we ook heen kijken zo goed als gelijk.’ Waarom dat zo is was lang een vraag voor kosmologen. Het antwoord bleek te liggen in een proces dat inflatie heet.

‘We denken nu dat in de eerste seconde na de Oerknal het heelal extreem snel uitzette. Dat verklaart waarom de achtergrondstraling zo gelijkmatig is.’ Extreem gelijkmatig, maar niet honderd procent: metingen door satellieten laten zien dat er een minuscule variatie van enkele tientallen miljoensten van een graad. ‘We zien dus enige variatie in het vijfde cijfer achter de komma.’

Deze kleine verschillen zijn ontstaan door zogenaamde kwantumfluctuaties die plaatsvonden tijdens de inflatie. ‘Zonder die fluctuaties zouden er geen sterren zijn ontstaan, omdat de zwaartekracht dan overal gelijk was geweest zodat deeltjes niet op bepaalde plekken zouden gaan ophopen. De fluctuaties vormen de oerkernen voor de structuren die we nu in het heelal zien.’

Omdat de kwantumfluctuaties de wetten van de natuurkunde volgen, vormen ze een manier om snaartheorieën te testen. ‘Er bestaan verschillende versies van de theorie, die verschillende voorspellingen doen voor de ontwikkeling van die fluctuaties.’ Met behulp van nauwkeurige waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling zijn die voorspellingen te testen.

Roest en zijn collega’s wachten daarom met spanning op de resultaten van de Planck ruimtetelescoop, die de achtergrondstraling met ongekende precisie heeft gemeten. ‘De temperatuurverschillen die Planck heeft gemeten zijn inmiddels al gepubliceerd. Maar komend jaar volgt informatie over de polarisatie.’ Fotonen zijn gepolariseerd, een term die beschrijft hoe de richting van de trilling van lichtgolven zich verhoudt tot de voortplantingsrichting van de golf.

‘Wanneer de polarisatie niet geordend is zou dat een tegenvallend resultaat zijn. Maar als de polarisatie patronen vormt in de achtergrondstraling, kan dat wijzen op invloed van kwantumzwaartekracht.’ En dit zou betekenen dat zwaartekracht toch te beschrijven is met de kwantummechanica, iets waar theoretisch natuurkundigen tot nu toe niet in geslaagd zijn. ‘Drie van de vier fundamentele natuurkrachten zijn kwantummechanisch, alleen voor de zwaartekracht onttrekt zich nog aan zo’n beschrijving.’

Zo’n resultaat zou de opmaat kunnen zijn voor een Theorie van Alles, waarin één enkele kwantumtheorie alle bekende natuurkrachten beschrijft. Dat is de Heilige Graal van de natuurkunde. Maar waarom is dat eigenlijk zo interessant?

Roest lacht even. ‘Er zit voor zover we weten geen enkel praktisch nut aan zo’n theorie. Maar voor mij is de motivatie om die te zoeken dat het geweldig is om te begrijpen hoe dingen werken. Het brengt ons dichter bij een antwoord op de fundamentele vragen die mensen zich al eeuwen stellen: hoe zit ons universum nu precies in elkaar?’ Wat Roest, die natuurkunde studeerde aan de RUG, daarnaast nog boeiend vindt is dat zijn werk zowel wiskunde, natuurkunde als sterrenkunde combineert.

Hoe legt hij deze complexe, soms bijna esoterische concepten uit aan scholieren? ‘Ik geef geen lange lezing, maar begin met het stellen van vragen, zodat ze zelf gaan nadenken. Hoe groot is het heelal? Wat betekent het antwoord op die vraag, zit er een grens aan het universum? Wanneer scholieren onderling gaan discussiëren over dit soort vragen groeit al snel de nieuwsgierigheid naar de antwoorden die ik kan geven.’

Voor Roest is het een belangrijk onderdeel van zijn taak als wetenschapper om mensen mee te nemen op een ontdekkingstocht langs de rafelranden van wat we weten. De komende vijf jaar zal hij ruimschoots de gelegenheid krijgen om dat te doen.

Zie ook het portret van Diederik Roest bij Unifocus.