plaats, vol materie en energie, in verschillende vormen, spelend op het toneel van ruimtetijd, in overeenstemming met de wetten van de fysica. Dit wordt geïllustreerd door deze Hubble-ruimtetelescoopopname van sterrenstelselcluster IDCS J1426.5+3508. Maar hoeveel moet je wegnemen voordat je echt niets meer overhoudt? NASA, ESA, en M. Brodwin (Universiteit van Missouri)

Wanneer we vandaag rondkijken naar onze wereld en ons heelal, praten en denken we na over alle dingen die zich daarin bevinden. Dat gaat van deeltjes, atomen en mensen tot planeten, sterren, melkwegstelsels en de allergrootste structuren. Afhankelijk van onze interesse kunnen we het hebben over gas, stof, straling, zwarte gaten, of zelfs donkere materie. Maar alle dingen die we vandaag zien, waarnemen of het bestaan ervan afleiden, zijn er misschien niet altijd geweest. Sommige dingen zijn ontstaan uit materie die er al eerder was, maar andere lijken uit het niets te zijn ontstaan. Het zal niet verbazen dat niet iedereen het eens is over wat we wetenschappelijk bedoelen als we het hebben over wat “niets” eigenlijk is. Afhankelijk van wie je het vraagt (of wanneer je het vraagt), kun je een van de vier verschillende betekenissen krijgen. Hier is waarom ze allemaal relevant zijn.

andere sterrenstelsels in zijn omgeving voor 100 miljoen lichtjaar in elke richting. Toch is dit geen echte weergave van de lege ruimte. ESA/Hubble & NASA en N. Gorin (STScI); Acknowledgement: Judy Schmidt

1.) Een tijd waarin uw “ding” van belang nog niet bestond. Hoe heeft het heelal planeten gemaakt? Hoe zit het met sterren? Hoe zit het met asymmetrie van materie? Deze dingen bestonden niet altijd, maar moesten gecreëerd worden. Als het mechanisme bekend is, zeggen we gewoonlijk dat ons “ding” uit iets is ontstaan, in plaats van uit niets. Planeten zijn ontstaan uit het gerecyclede afval van vorige generaties sterren, waar de zware elementen waaruit hun kernen en vaste oppervlakken bestaan, zijn ontstaan en vervolgens weer in het interstellaire medium zijn uitgestoten. Sterren ontstaan uit samentrekkende gaswolken, die gebieden bevatten die dicht en heet genoeg worden om kernfusie te doen ontbranden. Zowel planeten als sterren zijn materie die voortkomt uit reeds bestaande vormen van materie; ze zijn een ding dat ergens uit voortkomt, in plaats van uit niets.

straling, waarbij op een gegeven moment iets meer materie is ontstaan, wat heeft geleid tot het heelal van vandaag. Hoe die asymmetrie is ontstaan, of is ontstaan waar er in het begin geen asymmetrie was, is nog steeds een open vraag. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Maar de materie die we nu hebben is niet ontstaan uit reeds bestaande materie. Ergens in een ver verleden was het heelal samengesteld uit gelijke hoeveelheden materie en antimaterie; de natuurkundige wetten die we hebben ontdekt stellen ons alleen in staat ze in gelijke hoeveelheden te creëren. Toch bestaat ons huidige heelal voor het overgrote deel uit materie en niet uit antimaterie, en alle miljarden en miljarden sterrenstelsels die we kennen bestaan uit materie en niet uit antimaterie. Waar komt onze asymmetrie van materie vandaan? Van een vroegere symmetrische toestand; van een toestand waarin materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden bestonden. Uit een tijd dat er geen asymmetrie was. Volgens sommigen betekent dit dat de materie die we vandaag de dag hebben uit het niets is ontstaan, hoewel anderen die zich strikt aan een van de andere definities houden dit betwisten.

Toch betwist niemand dat het wetenschappelijke probleem van baryogenese, of de oorsprong van de asymmetrie tussen materie en antimaterie, een van de meest urgente puzzels is in de theoretische natuurkunde van vandaag. Er zijn veel ideeën en mechanismen in overvloed over hoe onze materie (en niet antimaterie) is ontstaan, maar we missen het bewijs dat nodig is om een overwinnaar aan te wijzen.

voor drie van de vier krachten (met uitzondering van de zwaartekracht), de volledige reeks van ontdekte deeltjes, en al hun interacties. Uit de bijbehorende kwantumveldentheorie kunnen we ook de eigenschappen van het kwantumvacuüm afleiden. Hedendaags Natuurkunde Onderwijsproject / DOE / NSF / LBNL

2.) Lege ruimte. Denk aan alle “dingen” die vandaag de dag in het heelal bestaan. Denk aan elk fundamenteel bestanddeel van materie; elk kwantum van straling; elk zwart gat; elke massa; elk deeltje en antideeltje. Stel je nu voor dat je ze allemaal verwijdert. Stel je voor dat je ze op de een of andere manier uit het heelal haalt, en niets dan lege ruimte achterlaat. Wat zou er dan overblijven? Sommigen noemen dat “niets”, en zijn best tevreden met die definitie.

Berekening die virtuele deeltjes in het kwantumvacuüm toont. Zelfs in de lege ruimte, dit vacuüm energie is niet nul. Derek Leinweber

De entiteit die ruimtetijd heet, is er nog steeds, net als de wetten van de natuurkunde. Alle velden die in de lege ruimte aanwezig zijn, van het Higgsveld tot gravitatievelden tot de kwantumvelden die we vaak visualiseren als deeltjes-antideeltjesparen die in en uit het bestaan knallen, zijn er nog steeds. Natuurkundige wetten zoals de kwantumveldentheorie zijn er nog steeds; de Algemene Relativiteit is er nog steeds; de fundamentele constanten zijn er niet alleen nog steeds, maar zij hebben dezelfde waarden als vandaag. En het vacuüm van de lege ruimte zelf heeft nog steeds een nulpuntenergie die niet nul is. Deze energie manifesteert zich vandaag de dag als donkere energie, en was in het verre verleden, met een heel andere waarde, de drijvende kracht achter de kosmologische inflatie. Als mensen het hebben over het ontstaan van het heelal uit het niets, dan is dit het soort “niets” waar ze naar verwijzen: de hete oerknal die wordt geboren door inflatie.

materie, energie of kromming van enig type. Als deze ruimte de laagst mogelijke nulpuntenergie heeft, is het niet mogelijk om het verder te verkleinen. Amber Stuver / Living Ligo

3.) Lege ruimtetijd in de laagst mogelijke energietoestand. Wat als de nulpuntsenergie van het heelal wordt teruggebracht tot zijn werkelijke grondtoestand? Toen de inflatie ophield, was er een enorme daling in de vacuümenergie van het heelal: van de inflatieschaal tot de waarde die het nu heeft. Die daling van de energie van de lege ruimte was verantwoordelijk voor de enorme toename van de deeltjesenergie, en de oorsprong van de hete oerknal. Maar er is geen garantie dat we ons nu in de werkelijke toestand van de laagste energie bevinden; het is mogelijk dat we ons slechts in een vals vacuüm bevinden, en dat het ware vacuüm op ons wacht na een andere catastrofale, het heelal veranderende overgang.

de energie E is hoger dan die in het ware vacuüm of de grondtoestand, maar er is een barrière die verhindert dat het veld klassiek afrolt naar het ware vacuüm. Tijdens de inflatie bevindt het heelal zich niet in een echte vacuümtoestand; vandaag is dat misschien ook niet het geval. Wikimedia Commons gebruiker Stannered

Als je de ware grondtoestand zou bereiken en alle materie, energie, straling en ruimtetijdrimpelingen uit je heelal zou verdrijven, wat zou er dan overblijven? Dat is misschien het ultieme idee van wat “fysisch niets” kan zijn: waar je nog steeds een podium hebt voor het heelal om zich op af te spelen. Er zijn misschien geen spelers, geen cast, geen script en geen scène, maar in de grote afgrond van het niets heb je nog steeds een podium. Het kosmisch vacuüm zou op zijn minimum zijn; er zou geen hoop zijn om werk, energie of echte deeltjes uit dit vacuüm te halen, maar ruimtetijd en de wetten van de fysica zouden er nog steeds zijn. In theorie, als je een deeltje aan dit heelal zou toevoegen, zou het niet zoveel verschillen van een geïsoleerd deeltje dat nu in ons heelal bestaat.

Het heelal dankt zijn ontstaan aan de hete oerknal. Meer fundamenteel kan het heelal dat we nu hebben alleen ontstaan door de eigenschappen van ruimtetijd en de wetten van de natuurkunde. Zonder die wetten is er geen bestaan in welke vorm dan ook. NASA / GSFC

4.) Wat je overhoudt als je het hele universum en de wetten die het besturen wegneemt. Tenslotte kun je je voorstellen dat je alles wegneemt, inclusief ruimte, tijd en de regels die gelden voor alle soorten deeltjes of quanta van energie. Dit creëert een soort “niets” waar fysici geen definitie voor hebben. Dit gaat verder dan het “niets” zoals het bestaat in het heelal, in plaats daarvan een soort filosofisch, absoluut niets realiserend. Maar in de context van de fysica kunnen wij dit soort nietsheid niet zinvol verklaren. We zouden moeten aannemen dat er zoiets bestaat als een toestand buiten ruimte en tijd, waar je ruimtetijd kunt laten ontstaan uit deze veronderstelde toestand van het ware niets.

Maar is dat mogelijk? Hoe kan ruimtetijd op een bepaalde plaats ontstaan, als er geen ruimte is? Hoe kun je het begin van de tijd creëren als er geen concept is van zoiets als ‘vroeger’ zonder dat de tijd al bestaat? En waar zouden dan de regels voor deeltjes en hun interacties vandaan komen? Betekent deze uiteindelijke definitie van “niets” überhaupt iets, of is het slechts een logische constructie zonder eigen fysische betekenis?

De schommelingen in de ruimtetijd zelf op kwantumschaal worden tijdens de inflatie door het heelal uitgerekt, waardoor onvolkomenheden in zowel dichtheid als gravitatiegolven ontstaan. Hoewel de opgeblazen ruimte in veel opzichten met recht ‘niets’ kan worden genoemd, is niet iedereen het daarmee eens. E. Siegel, met beelden afkomstig van ESA/Planck en de DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research

Er is hier geen consensus. Met de dubbelzinnigheid van taal die het heeft, kun je “niets” zeggen en legitiem verwijzen naar elk van deze, met puristen die staan te popelen om tegen je te schreeuwen als je het waagt “niets” te gebruiken in een context die minder zuiver is dan hun definitie. Als er iets fundamenteel is ontstaan waar het eerst niet was, kun je het niets noemen, maar niet iedereen zal het daarmee eens zijn. Als je alle materie, antimaterie, straling en zelfs ruimtelijke kromming weghaalt, dan kun je zeker beweren dat dat is wat “niets” is, maar er zijn nog steeds “dingen” die er zijn. Als je dan alle energie weghaalt die inherent is aan de ruimte zelf, en alleen ruimtetijd en de natuurwetten overlaat, dan kun je dat ook “niets” noemen. Maar filosofisch gezien, zullen sommige mensen nog steeds ontevreden zijn. Alleen door ook dat weg te nemen, zullen sommigen zich er uiteindelijk bij neerleggen om zo’n entiteit “niets” te noemen.”

Het Standaard Model is voorspeld te bestaan als gevolg van de wetten van de natuurkunde. Kan er zonder die wetten, of zonder de fase van ruimtetijd, ooit iets zinnigs ontstaan? E. Siegel / Beyond The Galaxy

Dus wie heeft er gelijk? Allemaal, op hun eigen manier. Het gaat er niet om ruzie te maken over wat “niets” eigenlijk is, maar om deze definities te accepteren en te begrijpen zoals mensen ze gebruiken. Het is van het grootste belang om niet de ene betekenis te verwarren met de andere, of om ruzie te maken over waarom het verkeerd is om een woord op een bepaalde manier te gebruiken. Wanneer iemand – vooral een wetenschapper – het woord “niets” zegt, probeer dan te begrijpen welke betekenis hij gebruikt en wat het verschijnsel is dat hij probeert te verklaren. Voor zover onze verbeelding ons kan brengen, is de enige echte vorm van kennis die we kunnen hopen te hebben over wat dan ook, gebaseerd op het op de proef stellen ervan in onze eigen fysieke werkelijkheid. Al het andere, hoe logisch ook, is slechts een constructie van ons verstand.

Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.