Het heelal dijt al miljarden jaren uit en dat gaat nog wel even zo door. Maar wetenschappers verwachten dat er ooit een kentering komt, waarna het universum weer gaat inkrimpen en er uiteindelijk een Big Crunch ontstaat. Gaat dit eeuwig zo door? En wat gebeurde er voor de Big Bang, die het begin was van de uitdijing?

In een poging om tot de kern te komen van de ontstaansgeschiedenis en de ontwikkeling van de kosmos, hebben sommige theoretici bedacht dat het universum uitzet en krimpt in een eindeloze cyclus. Aangezien dit proces eeuwigdurend zou zijn, kan er ook geen begin en einde aan zitten, maar is het slechts een voortdurende cyclus van groei en krimp die zich uitstrekt tot in de eeuwigheid, zowel in de toekomst als in het verleden.

Een kop en een staart
Het is een aantrekkelijk concept, omdat er in deze theorie geen noodzaak is voor een beginpunt, een staat van singulariteit, waar ‘de tijd start’ in andere modellen. Maar de natuurkundigen Will Kinney en Nina Stein van de University at Buffalo (UaB) hebben in een nieuwe studie beschreven waarom het model van een cyclische of ‘terugkaatsende’ kosmos problemen oplevert.

De nieuwste versie van deze theorie, een cyclisch model dat hardnekkige problemen vanwege entropie, oftewel wanorde, lijkt op te lossen, wordt door het UaB-team ontkracht. Er is namelijk een probleem dat telkens weer opduikt: cyclische universums die worden beschreven door dit model moeten wel een begin hebben, aldus Kinney en Stein.

“Meerdere mensen kwamen met het idee van terugkaatsende universums om zo het verleden oneindig te verklaren, maar onze bevindingen laten zien dat een van de nieuwste types van dit soort modellen niet klopt”, zegt natuurkundeprofessor Kinney. “In dit nieuwe model, dat kijkt naar de problemen die entropie met zich meebrengt, ook al heeft het universum een cyclische natuur, moet er toch een punt zijn waar alles mee begint.”

Het vroege universum 
“Er zijn erg veel redenen om nieuwsgierig te zijn naar het vroege universum, maar mijn persoonlijke favoriet is de fundamentele menselijke vraag wat er allemaal kwam voor dit alles”, zegt Stein over het belang van het onderzoek. “In vele culturen en verschillende periodes hebben mensen elkaar verhalen verteld over de oorsprong van de mens, de wereld en het heelal. ‘Het begin van de wereld’ staat hierin vaak centraal. “We hebben altijd willen weten waar we vandaan komen.”

Kinney heeft dit jaar het boek An Infinity of Worlds geschreven. Hierin beschrijft hij het epische verhaal van de kosmische inflatie (uitdijing), een andere theorie die de oorsprong van het universum beschrijft. Hierin wordt een vroege fase van het heelal beschreven, waarbij een periode van snelle expansie volgt op een singulariteit en superhete Big Bang. Deze Big Bang smeedde de oerelementen, waar later de sterrenstelsels, sterren, planeten en de atomen in ons lichaam uit zijn ontstaan.

De carinanevel. Foto: James Webb (NASA)

Kosmische inflatie
Kosmische inflatie is een bekend model, maar het focust op wat er tijdens en na de periode van snelle expansie gebeurt. Het brandt de vingers niet aan wat er plaatsvond voor het uitdijen en geeft ook geen verklaring wat betreft het beginpunt oftewel de oorspronkelijke singulariteit.

Een puur cyclisch model zonder begin of eind doet deze problemen teniet, maar Kinney legt uit dat deze ‘terugkaatsende universum’-modellen allerlei eigen problemen en vragen oproepen. “Helaas is het al bijna honderd jaar bekend dat deze cyclische modellen niet kunnen werken vanwege de wanorde, oftewel entropie, die na verloop van tijd in het universum opbouwt. Elke volgende cyclus is daarom anders dan de vorige. Het kan geen kopie van de vorige cyclus zijn, dus is het niet waarlijk cyclisch.”

Het entropieprobleem
“Een recent cyclisch model weerspreekt dit entropie-argument door voor te stellen dat het universum tijdens elke cyclus enorm uitdijt, waardoor de entropie weer afneemt. Alles wordt enorm uit elkaar getrokken, zodat kosmische structuren zoals zwarte gaten verdwijnen. Op deze manier keert het universum terug naar zijn oorspronkelijke homogene staat, voordat een volgende ommekeer begint”, aldus Kinney.

“We hebben in ons onderzoek laten zien dat het entropieprobleem alleen op te lossen is, als we uitgaan van een situatie waarin het universum ooit een begin heeft gehad. We hebben bewezen dat elk cyclisch model dat entropie laat oplossen door expansie een begin moet hebben.”

Voor het eerste begin
“Het idee dat er ooit in het verleden een moment is geweest waar alles begon, en dat er daarvoor helemaal niets was, ook geen tijd, dat vinden we een lastig concept. We willen heel graag weten wat er daarvoor aan de hand was. Ook wetenschappers worstelen al sinds mensenheugenis met deze vragen”, zegt Stein. “Maar voor zover ik het kan overzien, moet er ooit een ‘begin’ zijn geweest.” Er is dus een punt ergens in het verleden, waarvoor geen antwoord is op de vraag: ‘wat kwam er daarvoor?’

Uiteraard zijn er hierna nog genoeg wetenschappelijke vragen te beantwoorden volgens Kinney: “Ons bewijs geldt niet voor cyclische modellen die bedacht zijn door Roger Penrose. Hij is met het idee gekomen dat het heelal in elke cyclus oneindig uitbreidt. We zijn hier nog druk mee bezig.”