Kosmologie donkere materie theorie van het universum

90% van de donkere materie blijft onzichtbaar!

10 maart 2004

De astrofysica is misschien een te serieuze wetenschap om aan astrofysici te worden toevertrouwd

Een onverwachte reactie.

Elf, pleintje Marcellin Berthelot. Het Collège de France is volledig gerenoveerd. Het is net zo mooi als het Louvre.

Narlikar, een Indiër en voormalig voorzitter van de IAU, oude vriend van Jean-Claude Pecker, is erg sympathiek. We zijn even oud. Hij was een voormalige leerling van Fred Hoyle. Ik weet dat ze ooit het idee hadden dat natuurconstanten zouden kunnen variëren van plek tot plek in het universum. Ze wilden hiermee de "anormale roodverschuivingen" verklaren, het feit dat er afwijkingen zijn die geheel "anormaal" zijn ten opzichte van de wet van Hubble. Ik weet dat ze gelijk hadden, maar dat ze destijds niet over de theoretische middelen beschikten om dit probleem aan te pakken, via "gezamenlijke fluctuaties van de metrieken".

Pecker weet dat ik tijdens deze conferentie hierover zal spreken met mijn vriend.

De contacten zijn zeer aangenaam. Narlikar is een fijne man, vol humor. We praten Engels. Ik stel me even voor hoe Souriau en hij elkaar zouden hebben ontmoet, enkele weken eerder. Jean-Marie spreekt geen Engels, niet één woord. En Narlikar kent misschien een paar sleutelzinnen, zoals een adres geven aan een taxichauffeur of drie woorden zeggen tegen een secretaresse. Gelukkig kan ik me redelijk redden in het taal van Shakespeare. We praten twee uur lang. Narlikar is geïnteresseerd. Aan het eind probeer ik het.

- Ik heb nagedacht over de ideeën die jij vroeger met Fred Hoyle hebt aangehaald over variaties in natuurconstanten. - O, dat was speculatief..... - Nee, je had gelijk. Ik weet hoe we eraan kunnen beginnen. Misschien kunnen we samenwerken, publiceren.

Narlikar glimlacht (ik zet zijn antwoord in het Engels, met de vertaling):

- My dear colleague, I am also on the black list (Mijn waarde collega, ik sta ook op de zwarte lijst). Ik heb recentelijk een artikel ingediend bij een tijdschrift met peer review. Ik kreeg 43 vragen. De brief met vragen was langer dan het artikel zelf. Dus gaf ik het op (Ik stuurde recentelijk een artikel naar een tijdschrift met peer review. Ik kreeg een lijst van 43 vragen. Die lijst was langer... dan het artikel zelf. Dus gaf ik het op).

- Dan is alles hopeloos..... (dan is er geen hoop meer).

Ik moet toegeven dat ik een beetje verbijsterd blijf. Ik had alle mogelijke reacties voorzien, behalve deze. Ik weet dat mijn leven wel wat romans heeft, maar hier is een hoofdstuk onverwacht geschreven. Zelfs de voorzitter van de IAU, de International Astronomical Union, heeft dus moeite met publiceren, terwijl er elke dag kilometers aan onzin wordt gepubliceerd. Maar Souriau heeft dezelfde problemen. Het publiek weet niet dat de wetenschap na de oorlog onder de controle is gekomen van anonieme groepen. Hoe identificeer je deze mensen? Dat is vrij eenvoudig. Kijk naar degenen die veel publiceren, makkelijk en met weinig inhoud. Zelf zijn ze "referees", experts. De tijdschriften met hun selectiecomité zijn in feite uitlopers van geheime wetenschappelijke lobby's. Mensen vormen een groep, besluiten een tijdschrift op te richten, een revue te creëren. Die wordt beheerd door een "editorial board", dat in theorie de redacteur aanstelt. Neem een voorbeeld uit Frankrijk. James Lequeux was de initiatiefnemer van het opzetten van de revue "Astronomy and Astrophysics", een Europese revue. Het CNRS en ministeries gaven geld. Wetenschappers vormden een groep. De gepubliceerde werken zijn niet nul, maar ze zijn uitsluitend de uitdrukking van een bepaalde wetenschappelijke lobby, waar Lequeux het "garant" van is geworden. Een houding die soms tot cynisme en oneerlijkheid gaat. Maar er is niets aan te doen. Het systeem is afgesloten. Daarom zegt Souriau vaak: "dat de wetenschap zich in een moderne scholastiek begint te verdringen".

Wie zijn de "referees" van wetenschappelijke tijdschriften? In theorie garandeert hun anoniemheid "onafhankelijk denken". In de praktijk kunnen ze daarmee een muur opwerpen tegen elke gedachte die de theorieën van hun eigen school in gevaar brengt. Alle referees zijn onderzoekers, zonder uitzondering, wat vaak wordt vergeten. Deze mensen worden niet betaald voor hun werk. Natuurlijk krijgen ze niet elke dag alleen maar goed opgezette artikelen. Iedereen kan elk artikel naar elk tijdschrift sturen. Er zijn dus "filter" mensen. Dat zijn mensen die artikelen schuin lezen. Tijd besteed aan de eerste verkennende blik op een artikel: gemiddeld vijf tot tien minuten. Analysecriteria:

- Maakt deze persoon deel uit van mijn groep? Bevestigt zijn werk de theorieën die wij verdedigen? (bijvoorbeeld, op dit moment het dogma van het bestaan van donkere materie). Is hij bekend? Hmm... een Fransman! Er zijn nooit belangrijke bijdragen uit Frankrijk geweest in de kosmologie. Dat moet weer een onzin zijn...

Hij bladert door de pagina's, afwezig. Het zit vol tensoren. Ah, er zijn groepen...

Hij loopt de gang door en klopt aan bij een vriend, een theoretisch fysicus, in het gebouw tegenover hem.

- Hé, Mike, weet jij iets van de co-adjointe actie van een groep op zijn momentenruimte? - Nooit gehoord... - Goed, dan was mijn eerste indruk dus juist.

Hij gaat terug naar zijn kantoor en laadt van zijn harde schijf het standaardantwoord:

Sorry, we don't publish speculative works

Sorry, wij publiceren geen speculatieve werken.

Deze man, die werkt aan superkoorden, de "Theorie van alles", de TOE (Theory of Everything), drukt het antwoord af en gaat door naar het volgende dossier.

Ik heb tientallen antwoorden van tijdschriften gekregen zoals deze, met terugzending per post. Ik kon af en toe publiceren, maar ik kan zeggen dat ik tien tot honderd keer zoveel tijd heb besteed aan elke publicatie als ik nodig had om het werk zelf te produceren. Dit soort antwoord was precies wat Lequeux me in 97 per post had gegeven, na het indienen van een artikel voor zijn tijdschrift Astronomy and Astrophysics. Maar omdat hij in Frankrijk was, belde ik hem. Ik argumenteerde.

- Mijn tweelingmodel is niet meer of minder speculatief dan het model van donkere materie, dat een ad hoc interpretatie is. Dit model kan ook de sterke gravitatieve lensing-effecten verklaren, als manifestatie van een "negatieve lensing", van de gravitationele actie van tweelingmaterie, geometrisch onzichtbaar, afstotend, op de fotonen van ons eigen universum. Het is gewoon een andere interpretatie van de fenomenen, maar ik denk dat het gepubliceerd zou moeten worden, omdat het vruchtbaar is. Ik stel iets voor: vind een wrede referee, een grote boze wolf uit de kosmologie, en stuur hem mijn artikel. Als hij tekortkomingen vindt, geef ik me gewonnen.

Lequeux blijft even stil aan de andere kant van de telefoon. Maar net als tien jaar eerder denkt hij echt dat mijn werk niet houdbaar is. Iemand die geïnteresseerd is in buitenaardse wezens kan geen goede wetenschappelijke werk leveren. Misschien is dit een goede kans om het eindelijk af te ronden. Na een korte stilte:

- Oké, we doen het zo.

Een maand later ontvang ik een antwoord van een anonieme referee met tien vragen. De strijd begint. Deze heb ik altijd gewonnen, zolang de referee bereid is om de strijd aan te gaan. De vragen zijn zeer technisch, scherp en relevant. Je voelt dat de man op zoek is naar een zwakke plek. Ik antwoord punt voor punt. Op een moment schrijft hij: "U vermoedt dat in het centrum van de enorme lege bollen, de leemtes rondom welke de sterrenstelsels liggen, conglomeraten van tweelingmaterie zouden kunnen zijn. U zegt dat deze "geometrisch onzichtbaar" zijn. Maar ze zouden toch een effect moeten hebben op de beelden van objecten achter hen. Hebt u dat overwogen?"

De vraag is zeer relevant. Ik begin met berekeningen. Inderdaad, het achtergrond zijn de zeer verre sterrenstelsels, met grote roodverschuiving. Zelfs als deze conglomeraten een relatief kleine schijnbare diameter hebben, is het achtergrondbeeld een tapijt, een "behang" van miljoenen sterrenstelsels met zeer grote roodverschuiving. Met de Hubble-telescoop en moderne observatiemiddelen beginnen we meer en meer beelden van deze verre hemel te krijgen. Het enige probleem: deze objecten zijn zeer, zeer ver weg. Het licht dat ze ons sturen is extreem zwak. Concreet kan je het beeld van deze sterrenstelsels, eenvoudige vlekken, alleen vormen door één foton elke... uur te verzamelen. Mensen kunnen zich niet voorstellen hoe het werkt. Om een beeld van een zeer verre object vanaf de aarde te maken heb je een enorm spiegel nodig en tijd, uren observatie. Je moet de fotonen een voor een verzamelen. Ik herinner me een nacht observatie waar ik mijn collega's "praktische astronomen" begeleidde. Boulesteix, astronoom van het observatorium van Marseille, was een van de eersten die een computer koppelde aan de objectief van een telescoop. We zagen dus het beeld van een sterrenstelsel dat hij observeerde zich vormen, foton per foton. Jacques had "gegeluid" gegeven aan het proces. Telkens als zijn foton-sensoren afgingen, gaf de luidspreker van de microcomputer een "tic". Ik was gefascineerd. Er was er één elke vier of vijf seconden. Het foton markeerde zich, liet zijn impact zien met het verschijnen van een nieuw pixel op het scherm. Ik heb vier uur zitten kijken hoe dit beeld zich vormde. Tegelijkertijd voerde de computer metingen uit aan het Dopplereffect. Daaruit werd de snelheid van terugtrekking afgeleid en daarmee een schatting van de afstand. Als de sterrenstelsels te ver weg zijn, moet men dagen lang fotonen verzamelen of spiegels zo groot als voetbalvelden gebruiken. Dat beperkt de bereikbaarheid van aardse telescopen. Ruimtetelescopen hebben die beperking niet. Door hun rug naar de zon te keren kunnen ze maandenlang op dezelfde plek in de hemel gericht blijven. Zo hebben we met Hubble gedaan. We wisten dat er net boven de Grote Beer een plek in de hemel was, zo groot als het oog van een naald die je met uitgestrekte arm vasthoudt (ook dit weten de meeste mensen niet: hoe verder telescopen kijken, hoe smaller hun gezichtsveld is), die zwart als olie was. In die richting leek er "niets" te zijn, geen ster, zelfs geen zwakke, geen sterrenstelsel. We richtten Hubble dan in die richting, naar dat naaldoog, gedurende een week. Hij kreeg één foton per uur. Het beeld vormde zich. We gaven het een naam: "deep sky survey": "een blik op de diepe hemel". Deze historische foto onthulde het bestaan van duizenden sterrenstelsels op miljarden lichtjaar afstand. Zo werd bevestigd dat sterrenstelsels al heel lang bestaan, wat ook volgt uit de schatting van de leeftijd van de sterren die ze bevatten. De sterren in bolvormige sterrenhopen worden beschouwd als "primitieve sterren", geboren bijna tegelijk met het sterrenstelsel waarin ze wonen. Hun leeftijd wordt geschat op tien tot vijftien miljard jaar. De conclusie is dat sterrenstelsels zich moeten hebben gevormd op hetzelfde moment als het universum zelf. Hoe? Astrofysici weten het niet. Wat wel zeker is, is dat dit achtergrondbeeld een tapijt van sterrenstelsels vormt, bijna "aaneengesloten". Hun licht zou dus noodzakelijkerwijs worden verstoord wanneer het tot ons komt, door het omgekeerde gravitatie-effect vanwege de aanwezigheid van conglomeraten van donkere materie.

Ik doe berekeningen. Het artikel groeit met een paar pagina's en ik stuur mijn antwoord. Dit effect van omgekeerde gravitatieve lensing moet werken als kleine divergerende lenzen en het signaal verzwakken. Ik heb dit soort dingen al eerder uitgelegd in een reeks bestanden op mijn website, gewijd aan de popularisering van het thema van tweelinguniversa ( Begin van deze reeks pagina's - pagina waar dit effect wordt genoemd). Hier is de tekening die dit concept illustreert:

Schematische weergave van sterrenstelsels in het achtergrond en het effect dat een conglomeraat van tweelingmaterie op de zichtlijn zou kunnen veroorzaken.

Op die afstanden (geschat op basis van meting van de roodverschuiving z) wordt de grootte van een sterrenstelsel, zijn massa, alleen gemeten aan de hand van de hoeveelheid ontvangen licht. Ik concludeer dat dat licht moet worden verzwakt. Hier is dus een specifieke observatie die mijn theorie zou kunnen ondersteunen: op zeer grote afstand zou men een overvloed aan "kleine sterrenstelsels" moeten vinden. En dat is precies wat Hubble onthulde, dat is wat we vinden.

Ik heb een punt gemaakt. Ik stuur het artikel opnieuw. Het komt terug, weer een maand later met tien nieuwe vragen. Ik ga erop in en rebond op deze kritiek, ik weerleg ze. Het artikel groeit met elke uitwisseling. Het was aanvankelijk twintig pagina's. Acht maanden verlopen. Het bereikt nu zestig pagina's. Mijn vriend Georges Comte, die destijds directeur was van het observatorium van Marseille, merkte op:

- Heel wat. Als je deze referee hebt verslagen en Lequeux moet publiceren, zal hij een hele nummer van zijn tijdschrift moeten reserveren, bij de snelheid waarop dit gaat...

Maar plotseling stuurt Lequeux me een brief, zeer kort, zoals altijd:

- Deze uitwisseling heeft lang genoeg geduurd. Ik kan het secretariaat van de tijdschrift niet zo lang in beslag nemen voor deze eindeloze uitwisseling. Ik heb het gevoel dat dit niets oplevert en ik stel een einde aan deze zaak. Mijn besluit is onherroepelijk.

"Onherroepelijk", dat is typisch Lequeux. Mensen die hem kennen weten dat. De hersenen van James zijn zo soepel als voorgestort beton. Op het observatorium zijn mijn collega's verbijsterd. Dit is nog nooit gebeurd. Comte:

- Maar... je was bezig om de referee te verslaan, je won de strijd tegen hem. Deze brief is schokkend!

Ik schrijf aan Lequeux en stel voor om het artikel te verdelen, thema per thema. Hij weigert. Ik probeer dan nog wat te redden door voor te stellen om een paar elementen uit dit monument te halen die door de referee zijn goedgekeurd, om een minimale, enkele pagina's lange publicatie te maken. Lequeux weigert opnieuw, en schrijft in zijn brief:

- Ik meld u dat het advies van de referee slechts raadplegend is en dat de uiteindelijke beslissing over acceptatie of afwijzing van een artikel bij de redacteur ligt.

Laten we niet bang zijn voor woorden. In mijn hele carrière als wetenschapper heb ik nog nooit een gebaar gezien dat zo oneerlijk was. Lequeux, wetend dat hij absoluut ongestraft kan handelen, gedraagt zich zoals hij is: een maffiabaas. Wat nu? In de straat lopen? Een hongerstaking beginnen? Schrijven naar de wetenschappelijke pers (die niet alleen niets doet, maar ook nog eens voor de maffia werkt). Zelf met Lequeux in zijn kantoor gaan zitten en hem een dynamiet om de hals hangen?

Deze tien maanden van strijd met deze referee hebben me uitgeput. Hoe kan ik dit werk publiceren?

Er blijft nog een internationale wetenschappelijke conferentie, die van Marseille, in 2001. Ik probeer het organisatiecomité te benaderen, maar de ontvangst is zeer koud. Ik heb niet alleen vrienden op plaatselijk niveau. Enkele jaren eerder, begin jaren negentig, was mijn vriendin Marie-France Duval, hoofd docent, door het CNRS gevraagd om een stand te maken waarop de werkzaamheden van onze onderzoeksgroep, het observatorium van Marseille, werden getoond. Ze had mij gevraagd om een afbeelding van de prachtige geblokkeerde sterrenstelsels die we in 92 hadden verkregen, met Frédéric Lansdheat, op de stand te plaatsen. Maar toen de stand werd gepresenteerd aan het wetenschappelijk comité van het observatorium, stelden twee leden, Albert Bosma en Lia Athanassoula, zich fel tegen het tonen van enige sporen van het werk van Jean-Pierre Petit op de stand, die deel uitmaakte van een reizende tentoonstelling die de werkzaamheden van verschillende laboratoria in Frankrijk en Navarra moest tonen.

Albert Bosma

Bosma en Athanassoula hebben tijdens twintig jaar op krachtige computers, die ze zelf hadden aangeschaft, honderden numerieke simulaties uitgevoerd, maar zonder succes om dergelijke resultaten te verkrijgen (ik kom hier later op terug). Ze dreigden zelfs met hun ontslag als men het toch zou doen. Marie-France is gedwongen om de afbeeldingen te verwijderen. Comte legt uit:

- Begrijp je, er zijn ook grote drukken uit Parijs. We moeten... de sfeer kalmeren. Ik zou het kunnen negeren, maar dat zou ons duur komen in posten, in kredieten. Begrijp je? ... Ik moet deze... waanzinnige woning beheren en een ernstige crisis voorkomen.

Ik begrijp het. Er blijft nog die internationale conferentie van 2001.

In 99 vond er een Franse-Franse conferentie plaats in Montpellier over "astropartikelen". Ik ga erheen. Ik heb twintig minuten spreektijd gekregen van één van de organisatoren, een jonge theoretisch fysicus genaamd Moltaka. Op het moment dat ik me opmaak om te spreken komt hij naar me toe.

- Hmm... we hebben een probleem. Bosma zei dat als jij op deze conferentie spreekt, hij direct vertrekt.

Naast Moltaka staat een collega van het observatorium van Marseille, een zekere Giraud, die blaffend zegt:

- Wij willen geen mensen laten spreken die berichten van buitenaardse wezens ontvangen! - Ik ben niet gekomen om daarover te spreken, maar over een alternatieve interpretatie van de herversnelling van het heelal, met grote roodverschuiving, via de actie van zijn tweeling. Weet je, Giraud, de vergaderzaal is naast. Je hoeft alleen maar een aanplakbiljet te vragen en het voor iedereen te herhalen. Maar ik vrees dat je er als een idioot uit zult zien...

De jonge Moltaka was ongemakkelijk. Hij probeert de sfeer te kalmeren.

- Luister, Petit. We vinden wel een andere tijdslot voor jouw presentatie, wanneer Bosma terug is in Marseille. - Goed...

Twee dagen verlopen. De sfeer wordt zwaar. Er zijn tweehonderd deelnemers, allemaal astrofysici. Het gemompel gaat door. Het doel van de conferentie is duidelijk: het rechtvaardigen van kredieten voor de detectie van "astropartikelen", componenten van de hypothetische donkere materie. Het hoofdpartikel is het "neutralino", afgeleid uit de "supersymmetrie". Het is neutraal. Iemand (ik heb zijn naam vergeten) stelt voor om dit deeltje te detecteren met behulp van het "Cerenkov-effect". Dit neutralino is een elektrisch ongeladen deeltje, in theorie "afkomstig uit de oerknal", in "zijn eerste momenten". Giraut verklaart: "Ik heb berekend dat de hopen van Hercules ons een flux van tweehonderd neutralinos per seconde en per vierkante meter zou moeten sturen". De persoon die hoop heeft op het worden van directeur van een toekomstig laboratorium voor astropartikelen legt uit dat de detectiemethode mogelijk "één gebeurtenis per dag" zou kunnen tonen. Achter me laat een theoretisch fysicus tussen zijn tanden vallen:

- Alles is belachelijk. Dit deeltje hangt af van tweehonderd vrije parameters. Dat is echt onzin. Als die man een miljoen gebeurtenissen per dag had voorspeld, zou het te veel zijn. Een per jaar zou te weinig zijn: niemand zou een cent geven voor zo'n problematische detectie. Dus zijn ze allemaal overeengekomen op dat getal van één per dag, volledig willekeurig. De berekeningen van Giraut hebben geen enkele zin.

De waarheid is dat mijn theorieën in strijd zijn met deze donkere materie. Voor deze mensen ben ik een hinderpaal voor onderzoek. Als het tweelinguniversum bestaat, dan is donkere materie slechts een mythe. Op deze conferentie, buitenaardse wezens of niet, is mijn toespraak niet gewenst. Ik ben de hond in het keukenhuis. Op de eerste dag hield de voorzitter van de universiteit van Montpellier dit toespraak:

- De stad Montpellier is in volle demografische groei. Parallel daarmee blijven de studentenaantallen aan de faculteit natuurwetenschappen stagneren. Dat betekent dat steeds minder jongeren zich richten op de wetenschappen. Wat betreft het departement fysica, is het praktisch in vrije val. Denk je aan nieuwe ideeën, we zijn bereid om kredieten en posten te geven, maar doe het snel, anders zullen binnen een paar jaar geen studenten meer geloven in de fundamentele fysica.

Moltaka mijdt me. Ik weet dat deze jonge man zijn carrière speelt. Er zijn drukken gekomen, uit Parijs. Uiteindelijk zeg ik tegen hem:

- Dan geef je J.P. Petit dus geen woord? Er blijft nog vandaag en morgen. - Ik denk... dat we hem geen woord zullen geven. Ik ben... sorry...

Ik heb al veel groene en niet rijpe dingen gezien in mijn carrière, maar die avond in mijn hotel kan ik niets door mijn keel krijgen. Ik dacht dat ik een sterk maag was. Nu lukt het niet. Ik ben verboden om te spreken onder druk van een van de "grote namen" van de conferentie, Bosma. Iedereen heeft het geweten en geen van de tweehonderd deelnemers heeft gereageerd. Ik zou gezegd hebben: "Als Petit niet spreekt, ga ik weg". Maar ik ben... Jean-Pierre Petit, geen gewone astrofysicus of theoretisch fysicus van het CNRS.

Terugkomend plak ik een verslag van dit gebeuren aan de muur, zowel op het observatorium van Marseille als bij het LAS, het laboratorium voor Ruimte-Astronomie van dezelfde stad. Iedereen, inclusief de directeur van mijn lab, "betreurt de houding van Bosma", mondeling, individueel. Maar er gebeurt niets meer.

Dit geeft me een idee. Ik heb indirect toegang tot een lid van het organisatiecomité van de internationale conferentie van Marseille, juni 2001, met als thema "Waar is de materie?". Athanassoula had me al gezegd: "Je verspilt je tijd als je hoop hebt om er een artikel te presenteren". Ik moet dus een andere methode gebruiken: gijzeling. Ik laat het comité weten dat als ze niet toestaan dat ik een presentatie mag houden, ik de hele Bosma-situatie zal onthullen in een komend boek en dat dit mogelijk een bepaalde schade kan veroorzaken voor het lab.

Het werkt...

Zo moet je soms manoeuvreren om te publiceren. ( Zie deze publicatie). Dit zijn de gedachten die me begeleiden toen ik, op de eerste dag, afscheid nam van Narlikar. Hij brengt me terug door een reeks gangen met sassen waar je een code moet invoeren met toetsen. Zo veel voorzorgsmaatregelen! Deze vesting van kennis lijkt beter bewaakt dan het fort van Arcueil. Misschien om te voorkomen dat subversieve ideeën binnenkomen?

Hoe identificeer je deze mysterieuze referees, beschermd door hun heilige anonimiteit? Dat is vrij eenvoudig. Het zijn degenen die veel publiceren. Voor hen lijkt alles makkelijk. Hetzelfde geldt voor leden van hun onderzoeksteam of hun "klanten". Er is ook een teken dat niet misleidt: deze mensen citeren elkaar voortdurend. Wisselende gunst. "Ik citeer jou, jij citeert mij". Lang geleden staan wetenschappelijke artikelen al op het web en lang geleden tellen gespecialiseerde zoekmachines elke auteurscitatie. Het CNRS en andere instanties steunen sterk op dit aantal citaties. Het wordt een referentie. Een belangrijk werk is een werk dat vaak geciteerd is. Dus vormen zich groepen. De "Bende van Hawking" is daar een voorbeeld van. In die richting zie je het boek van Greene, het elegante universum, ook niet slecht. De mensen van de superkoorden hebben een fantastische "gemeenschap" gevormd. Het feit is zonder precedent. Ze zijn erin geslaagd om een volledig bestaande discipline te creëren, aangezien deze "in ontwikkeling zijnde theorie", deze "Theorie van alles" niets voorspelt, geen fenomeen verklaart, geen observatie interpreteert, niets modelleert. Maar zoals het perroketje Larousserie (Sciences et Avenir) schreef: "het is een globale theorie".

Als je "globaal" bent, ben je "in", het is eenvoudig.

Ik ken tientallen onderzoekers die extreem geciteerd zijn, maar waarvan de artikelen slechts schuim zijn. Wil je een beeld van de staat van astrofysica, kosmologie en theoretische fysica van nu? Neem honderden scheermesjes met schuim en gooi ze allemaal tegelijk leeg. Herinner je je de film Brazil? Er is een figuur, wiens naam ik ben vergeten, die de hoofdpersoon meerdere keren redt met spectaculaire gadgets. Hij vlucht bijvoorbeeld door te glijden op een stalen draad. Maar op een dag komt hij dichtbij een ventilatieopening en krijgt een formulier recht in het gezicht dat zich aan zijn gezicht plakt. Hij probeert het los te trekken, maar wordt snel overspoeld door papier, belastingpapier. Hij sterft snel, verstikt door deze administratieve uitstoot. Onze moderne Don Quichotte lanceren zich niet meer tegen windmolens. Ze storten zich, met de lancet voorop, in bergen schuim die anoniem zijn en waar ze verstikken.

Morgen is de conferentie. Ik heb niets voorbereid. Ik heb zelfs geen dia's gemaakt.

- Toch... je vriend Pecker... je zou...

Ik weet het, maar de veer is gebroken, sinds het artikel van Larousserie, in Science et Avenir, in &&&. Onlangs hebben Dunod het boek van een zekere Magueijo gepubliceerd, met de titel "Sneller dan het licht". Grote succes. Het is een beetje in dezelfde stijl als het boek van Greene. In 97 slaagde Magueijo, jong onderzoeker in Cambridge, Engeland, erin om een artikel te publiceren in Physical Review. Hij had het idee dat als je een kosmisch scenario zou bedenken waarbij de lichtsnelheid in het verleden hoger was geweest, dit zou hebben toegelaten dat deeltjes "zouden communiceren" in de verre oertijd en daardoor de homogeniteit van het universum zou garanderen. Maar direct daarna meldde een zekere Moffat, een Canadees, zich, die vergelijkbare dingen had gepubliceerd in 93. Moffat protesteerde hevig.

In feite ben ik de echte pionier op deze lijn, daarover zal ik straks spreken. Ik heb drie artikelen gepubliceerd in 88-89 in Modern Physics Letters A [1 , 2 , 3 ]. Toen ik de werkzaamheden van Magueijo en daarna van Moffat in 99 ontdekte, stuurde ik hen meerdere mails. Geen reactie. De eerste was waarschijnlijk bezig met het schrijven van zijn boek en het was niet het juiste moment om hem te storen. En dan, wat maakt het uit! Er zijn zoveel dingen waarover ik had moeten vechten, beginnend bij de MHD.

De volgende dag begint de ochtend met een voordracht van Narlikar die het standaardscenario van de oerknal bespreekt, met de inflatie van Linde en al dat gedoe. Pecker heeft ons gewaarschuwd:

- Narlikar zal ons vertellen wat anderen denken, niet wat hij zelf denkt.

Dan komt de beurt aan mijn voordracht. Er gebeurt dan iets verbazends, vergelijkbaar met een getij. De zaal waar we zijn heeft maar honderd plaatsen. Gezien de echo's die vanaf de ingang komen lijkt er een probleem te zijn. Pecker gaat kijken en draait zich naar het publiek:

- Om al deze mensen te kunnen ontvangen verhuizen we naar de grote zaal.

Die is direct vol en mensen moeten op de trappen zitten. Verdomme, ik had dit niet verwacht. Hoeveel zijn er? Drie honderd? Vier honderd?

Pecker stelt mij voor en ik begin:

- Naast Narlikar en Pecker, zijn er hier astrofysici en kosmologen in de zaal?

Stilte.

- Zijn er theoretische fysici?

Niets. Dat doet me denken aan wat mijn Grieksleraar Barquissau zei toen ik mijn broekje op het Lyceum Carnot liet hangen en hij vroeg of iemand wilde gaan schrijven, waarop onze blikken naar onze schoenen zonken of omhoog naar het plafond:

- Zo veel handen gingen omhoog dat de hemel werd verduisterd.

Ik vraag:

- Zijn er fysici?

Handen gaan omhoog. De samenstelling van de zaal is gevarieerd, maar er zijn veel "senioren", tussen veertig en zestig jaar. Ik heb een uur om hun mijn tweelingvisie van het universum te beschrijven.

Groepen.

Het begint met een artikel van Andrei Sakharov uit 1967, dat trouwens volledig onopgemerkt bleef en nog steeds weinig bekend is. Het is waar dat de Rus de dingen niet verder heeft gebracht, maar het essentiële staat er wel in. Volgens hem is er niet één uniek universum, maar twee, verbonden door deze ruimtijdstructuur die de oerknal heet. Tweede punt: de tijdrichting van dit "tweelinguniversum" (zo noemt hij het) is omgekeerd ten opzichte van de onze.

Alles is moeilijk te bevatten. Stel je een universum voor waarvan de ruimtelijke component maar één dimensie heeft en dat bovendien gesloten is op zichzelf. Zijn beeld is dat van een simpel... cirkel. Voeg nu de tijd toe. Het onderstaande diagram toont zo'n universum waarvan de omtrek groeit, dat dus uitdijt.

&&& tekening ruimtetijd 2 d

Geef nu een beeldende weergave van het universum van Sakharov. Het heeft de vorm van een zandloper. Noem t de kosmische tijd in ons eigen universum en t* die van het tweelinguniversum. Deze twee tijdsrichtingen zijn tegengesteld. Wat betekent dat?

Het antwoord komt uit de werkzaamheden van de wiskundige Jean-Marie Souriau, uit het einde van de jaren zestig en gepubliceerd bij Dunod in een nu uitverkochte uitgave genaamd "Structure des Systèmes Dynamiques". Dit boek is in 1999 in het Engels herdrukt door Birkhauser: "Structure of Dynamical Systems", en het blijkt dat meer dan dertig jaar na zijn verschijning in Frankrijk het nog steeds op de top staat in wiskundige fysica. In het vervolg zal ik een dubbel gesprek voeren. Op deze website vindt u de presentatie op de meest schematische manier mogelijk. Laat mijn niet-wetenschappelijke lezers zich niet te snel ontmoedigen. Het voordeel is groot. Door op de links te klikken kan de wetenschapper een iets uitgebreidere presentatie vinden.

Het is erg moeilijk voor iemand die niet geïnformeerd is om te begrijpen wat een groep is. Het is een verzameling wiskundige objecten die "werken" op andere objecten, die ze "verplaatsen". Neem de punten van een vlak. Teken figuren op dit vlak. Je kunt erop "werken" door ze te draaien rond een vast punt.

&&& groep van rotaties.

Deze rotaties rond een punt O in het vlak vormen een groep, een structuur die drie axioma's volgt.

1 - Er bestaat een operatie waarmee ik twee rotaties rond een punt O kan samenvoegen waarvan het resultaat ook een rotatie rond dat punt is.

2 - Er is een neutraal element, dat de positie van het object in het vlak niet verandert. Dat is "de rotatie met hoek nul". Als ik een rotatie met hoek q combineer met een rotatie met hoek nul, is het resultaat een rotatie met hoek q.

3 - Als ik een object met een hoek q draai, kan ik het terugbrengen naar zijn oorspronkelijke positie door een "omgekeerde" of "tegengestelde", "omgekeerde" rotatie uit te voeren met hoek -q. Met andere woorden: aan elke rotatie q kan ik de omgekeerde rotatie -q koppelen.

4 - Opeenvolgende rotaties zijn gelijk aan het optellen van de hoeken:

q1 + q2 + q3

Deze bewerking "rotatie" is associatief, net als de optelling van twee getallen, wat betekent dat ik de combinaties willekeurig kan uitvoeren:

(q1 + q2) + q3 of: q1 + (q2 + q3)

De bewerking "combinatie van twee rotaties" voldoet dus aan de axioma's van groepen, zoals gedefinieerd door Sophus Lie.

Terzijde: ik kan deze rotaties ook in willekeurige volgorde uitvoeren. Het resultaat van (q1 + q2) is hetzelfde als dat van (q2 + q1). De bewerking "rotatie rond een punt" is commutatief. Deze groep is dus commutatief (maar niet alle groepen zijn dat).

Alles dit lijkt vanzelfsprekend, maar ik kan je vertellen dat deze vier axioma's tot de meest geweldige dingen behoren die mensen ooit in wiskunde en natuurkunde hebben gevonden. Als je me volgt zonder te veel na te denken, begrijp je waarom.

We kunnen een andere groep beschouwen, namelijk de translaties in het vlak. Het translatievector is dan:

(Dx, Dy)

We krijgen dan opnieuw een groep waarvan het neutrale element de nul-translatie is:

(0, 0)

Aan elke translatie kunnen we de tegengestelde translatie koppelen:

(-Dx, -Dy)

Als we deze twee combineren, krijgen we de nul-translatie. Het object keert terug naar zijn oorspronkelijke positie. We duwen weer een open deur verder open en voeren een overduidelijk argument af.

We kunnen deze twee bewerkingen combineren: rotatie plus translatie om de groep van bewegingen in het vlak te verkrijgen. Het neutrale element is... het object niet verplaatsen: geen translatie, geen rotatie. Het concept van een omgekeerde beweging is ook intuïtief. We zetten het object terug op zijn oorspronkelijke positie. We krijgen opnieuw een groep waarin rotaties en translaties zogenaamde ondergroepen vormen. Geen paniek: dat is gewoon een term die even terloops wordt gebruikt.

Noties van soort.

We kunnen ons voorstellen dat er een oneindig aantal figuren in het vlak bestaat. Sommige zijn zodanig dat ze door een beweging op elkaar kunnen worden gebracht. Denk aan de verzameling van vierkanten met zijde a, cirkels met straal R, lijnstukken met lengte L. We spreken dan over de soort "cirkels met straal R", "vierkanten met zijde a", "lijnstukken met lengte L".

&&& tekening

Twee lijnstukken met verschillende lengten L1 en L2 kunnen niet op elkaar worden gebracht. We beschouwen ze als behorend tot twee verschillende soorten. Zo ontstaat een soort geometrische taxonomie. Maar het is duidelijk dat:

Alle punten behoren tot dezelfde soort

Laten we een blik werpen op de afbeelding hieronder.

&&& rechthoekige driehoeken met ongelijke zijden

Het is duidelijk dat ik deze twee driehoeken niet kan laten samenvallen door een combinatie van rotatie en translatie. Er ontbreekt iets: de symmetrie. Ik voeg gewoon een element toe aan de groep, bijvoorbeeld de spiegeling ten opzichte van een gegeven lijn. Door drie opeenvolgende bewerkingen uit te voeren:

• De spiegeling ten opzichte van de lijn D

• Een rotatie zodat de zijden van de driehoeken evenwijdig worden

• Een translatie

kan ik deze twee driehoeken nu laten samenvallen. Ik zeg dan dat ik de zogenaamde 2D-Euclidische groep heb gevormd. Deze groep moet worden gezien als een verzameling mogelijke acties op objecten. Deze acties veranderen hun "grootte" of de hoeken niet. Ze behouden de straal van een cirkel, de zijde van een vierkant, de lengtes van de zijden van een driehoek. Maar intuïtief kunnen we deze elementen in twee groepen verdelen:

• Elementen die de objecten "rechts-links" niet omkeren

• Elementen waarbij deze omkering wel plaatsvindt.

Dat hangt natuurlijk af van de objecten waarmee we werken. Cirkels, vierkanten, gelijkbenige en gelijkzijdige driehoeken, regelmatige veelhoeken, etc., zijn ongevoelig voor een "rechts-links" omkering. Maar fundamenteel gezien, aangezien een element van een groep een manier is om op het object te handelen, begrijpen we dat deze groep bestaat uit twee deelverzamelingen:

&&& tekening

We noemen deze deelverzamelingen componenten van de groep. Die die het neutrale element bevat, heet de neutrale component.

Het is duidelijk dat we deze gedachte kunnen uitbreiden naar drie dimensies. Daar vinden we opnieuw rotaties en translaties. Als we figuren beschouwen met een 3D-oriëntatie, zoals een schroef, kunnen we ons goed voorstellen dat naast rotaties rond assen en translaties volgens een vector (Dx, Dy, Dz) ook een extra bewerking nodig is die objecten "rechts-links" omkeert, namelijk een spiegeling ten opzichte van een vlak. Door een reeks transformaties uit te voeren die een combinatie zijn van deze drie bewerkingen – een (mogelijke) rechts-links spiegeling, een rotatie, een translatie – kunnen we een verzameling transformaties verkrijgen die hoeken en lengtes behouden, en die dan de 3D-Euclidische groep vormen. Deze groep heeft ook twee componenten, afhankelijk van of de gekozen transformaties de oriëntatie van de objecten behouden of omkeren (rechte schroeven in linkse schroeven veranderen).

&&& tekening

Laten we deze rechts-links omkering "P-symmetrie" noemen (voor "pariteitsymmetrie").

Ik heb dit voorwoord gegeven om je vertrouwd te maken met het concept van groep en actie van groepselementen op objecten (hier: meetkundige figuren). Maar de natuurkunde is niet statisch. Het ruimte-tijd-continuüm dat we beschouwen, is dan ook ruimte-tijd:

(x, y, z, t)

Wat is een "meetkundige figuur" in dit ruimte-tijd-continuüm? Voor ons is het voornamelijk een gerichte rechte baan (in de tijd). Om de dingen te vereenvoudigen, beschouwen we een ruimte-tijd met slechts drie dimensies:

(x, y, t)

A priori zou deze ruimte kunnen worden gevuld met een oneindig aantal gerichte rechten, elk voorstellend een baan.

&&& tekening

We kunnen niet zeggen dat dit echt natuurkunde is. Het is slechts een eenvoudig model om concepten te illustreren.

Verticale banen stellen objecten voor die... stil staan. Horizontale lijnen stellen banen voor met oneindige snelheid. Maar we weten dat de natuurkunde dit soort bewegingen niet toestaat. Neem dit dus "met een korreltje zout". Als we de speciale relativiteitstheorie willen meenemen, zien we dat we alleen banen mogen beschouwen die binnen lichtkegels liggen, dat wil zeggen hoeken maken met het xoy-vlak die minimaal zijn, overeenkomend met beweging met de... lichtsnelheid.

&&& tekening

De onderliggende gedachte is:

Zeg me hoe je je beweegt en ik zal je vertellen wie je bent.

Dit is een gedragsbeschrijving van fysische objecten, van "massapunten".

Orthochroon en retrochroon.

Neem terug onze ruimte-tijd (x, y, t) met drie dimensies, één ruimtedimensie en twee tijddimensies. Beschouw de baan zoals aangegeven in de afbeelding hieronder, waarbij de beweging van A naar B plaatsvindt. Als ik deze figuur bekijk, zie ik dat deze baan AB orthochroon is: van A naar B stroomt de tijd naar de toekomst en niet naar het verleden (zoals bij een baan BA het geval zou zijn).

Ik heb deze baan en stel me voor dat ik een groep heb die me in staat stelt van een baan van dit materieel punt naar een andere te gaan. Voor iemand zonder wiskundige achtergrond is een groep een soort wonderzak, voorgesteld als een cirkel. Binnen deze verzameling bevinden zich punten, elk voorstellend een element g van deze groep G. Onder deze elementen noemen we er één e. Dat is het neutrale element dat niets verandert, de baan "zoals hij is" laat. Het lijkt idioot, maar ik weet uit de axioma's van Lie dat ik absoluut dit soort element in deze zak moet hebben om een groep te kunnen vormen.

&&& verandering van banen

Met een groep kan a priori alles gebeuren. Toen ik de Euclidische groep, bijvoorbeeld in 3D, bestudeerde, zou ik een kegel kunnen beschouwen met de top naar boven, richting "de z-as", en me voorstellen dat elementen van de groep dit object kunnen verplaatsen door het "ondersteboven" te zetten. Maar ik kon ook de oneindigheid van elementen in mijn groep sorteren en die uitsluiten die de kegel met de top naar beneden zetten.

Evenzo heb ik a priori oneindig veel manieren om een lijnstuk, zoals dit baanelement hierboven, te transformeren. Zo kan ik, uitgaande van deze gegeven orthochrone baan, een element vinden dat deze omzet in een andere orthochrone baan, waarbij de punten A en B worden "verplaatst" naar A' en B' zodat tA' later is dan tB'. Ik ben dus overgegaan van een orthochrone baan, gericht in de tijd van het verleden naar de toekomst, naar een andere orthochrone baan A'B', ook orthochroon, maar die zich op andere plaatsen in de ruimte, met andere snelheden en over een ander tijdsinterval afspeelt.

Ik kan ook voorstellen dat er in deze dynamische groep elementen bestaan die alle mogelijke bewegingen van mijn punten A en B naar punten A" en B" veroorzaken zodanig dat tA" > tB".

&&& tekening

Als mijn banen AB en A'B' beide orthochroon zijn, is de baan A"B" retrochroon. Ik beweeg me van A" naar B"... tegen de tijd in.

Je zult zeggen: dat is Lewis Carroll. We leven in de wereld van Alice in Wonderland, waar je alles mag zeggen en schrijven. Jouw retrochroone baan is het ... Chester-katje!

Hmmmm... in de natuurkunde moet je voorzichtig zijn, vooral met groepen. Het zijn instrumenten die objecten creëren. Je hebt gezien hoe ik uit een kubus een oneindig aantal kubussen kon genereren. Maar je hebt ook gezien hoe ik uit een "normale" schroef haar spiegelbeeld, de zogenaamde "enantioomorfe" schroef, kon maken.

Iemand zou kunnen zeggen: schroeven die andersom draaien bestaan niet! Fout. Je vindt ze in winkels voor grapjes en trucjes. Dat is concreet. Je kunt het niet ontkennen.

Hetzelfde gebeurde met antimaterie. We hadden materie en een groep die deze materie "in alle toestanden" kon brengen. We konden ze verplaatsen "ergens anders", "eerder" of "later" in de ruimte-tijd. Deze groep was gebaseerd op een andere groep, de Lorentz-groep, en alle mogelijke transformaties vonden plaats onder de beperking: v < c. Maar we konden ook objecten bouwen die fotonen werden genoemd, die met snelheid c bewogen. Door een vijfde dimensie toe te voegen, konden we (Kaluza-Klein) dit puntobject een elektrische lading geven. Met deze nieuwe groep konden we plezier maken met geladen deeltjes en ze ook "in alle toestanden" beschouwen. Maar we ontdekten (het is niet precies zo dat het historisch verliep, maar het maakt niet uit) dat er elementen bestonden in deze supergroep, groter dan de vorige (een (6,6)-matrix in plaats van een (4,4)-matrix), die deze vijfde dimensie z omkeerden, de "Kaluza-dimensie".

Zoals eerder gezegd, worden deeltjes gedragsmatig beschreven. Dat is:

Zeg me hoe je je beweegt en ik zal je vertellen wie je bent.

Een ongeladen materiepunt beweegt in een vierdimensionale ruimte. Elk van deze bewegingen komt overeen met een bepaalde keuze van parameters. Voor de niet-geïnitiëerde mensen beperken we ons tot het geven van de energie E, het enige wat iedereen begrijpt.

Kenmerken gekoppeld aan beweging: (energie E, etc.)

De anderen kunnen meer weten door hier te klikken.

In de natuurkunde, wanneer ik een dimensie toevoeg, voeg ik ook een kenmerk toe (voor specialisten: ik blijf schematisch, ik weet het). Als ik de vijfde dimensie z toevoeg, verschijnt een extra kenmerk: de elektrische lading. Zo krijgen we:

Kenmerken gekoppeld aan beweging: (energie E, elektrische lading q, etc.)

De deeltjes bewegen dan in een vijfdimensionale ruimte (z, x, y, z, t).

Terzijde: het is nu populair om de wereld te beschrijven met extra dimensies. Wees ervan bewust dat als ik extra dimensies toevoeg, ik telkens (minstens) een nieuw kenmerk, een nieuw scalaire grootheid, toevoeg. Als ik aannem dat ik de elektrische lading heb "gefabriceerd" door een dimensie z2 toe te voegen, kan ik er een tweede toevoegen en zeggen dat dit de baryonlading oplevert. Door een zevende dimensie z2 toe te voegen zou ik de leptonlading verkrijgen, enzovoort...

Het bestaan van "kwantumladingen" hangt samen met het uitbreiden van het aantal dimensies.

Wanneer ik mijn dimensies bekijk, weet ik dat er iets gebeurt als ik bijvoorbeeld een ruimtedimensie omkeer. Als ik x verander in -x, wordt elk object "rechts-links" omgekeerd.

Nou, wanneer ik de dimensie omkeer, wordt ook de elektrische lading omgekeerd. Beperk ons tot een beschrijving in een vijfdimensionale ruimte. Het bestaan van dit element in de groep

Zojuist hebben we overwogen dat elementen van een groep figuren kunnen verplaatsen. We hadden ons kunnen voorstellen dat we gerichte lijnen in de driedimensionale ruimte konden verplaatsen. De natuurkundige zou zich dan kunnen voorzien van:

• Een vierdimensionale ruimte, bewoond door banen.

• Een groep die het mogelijk maakt om van een baan naar een andere te gaan.

Redeneren we in termen van deeltjes. Deze zijn soorten die gekoppeld zijn aan het geheel (ruimte plus groep). Stel dat ik een deeltje met massa m beschouw dat zich beweegt met snelheid V langs een bepaalde baan. Ik kan, door elementen van de groep te gebruiken (ik noem deze groep een "dynamische groep" omdat het verwijst naar de dynamica van deeltjes, materiepunten), alle banen van deeltjes met massa m die zich met snelheid V bewegen, in alle richtingen, construeren. Ik creëer dan "de soort van alle deeltjes met massa m die zich met snelheid V bewegen".

In de praktijk heet deze groep de Poincaré-groep. Het is een uitbreiding van de Lorentz-groep. Door een element van deze groep te kiezen, kan ik een baan, voorzien van een bepaald aantal parameters (die we energie, impuls, etc. noemen), omzetten in een andere baan met andere waarden van deze parameters. Maar deze groep heeft zeer bijzondere eigenschappen. We hebben gezegd dat banen gericht zijn in de tijd. Er bestaan in deze groep twee deelverzamelingen van elementen:

• Die de tijd niet omkeren en die, volgens de terminologie van Souriau, orthochroon worden genoemd

• Die de richting van de tijd omkeren en antichroon worden genoemd.

Net als de Lorentz-groep, ontstaat de Poincaré-groep uit een axiomatische definitie. Tot nu toe hebben natuurkundigen alleen gebruikgemaakt van de orthochrone elementen van deze groep. Ze hebben aangenomen dat alles wat bestaat alleen van het verleden naar de toekomst kan bewegen, dat het universum alleen gevuld is met orthochrone objecten. In deze visie

object = beweging

Het was ondenkbaar om retrochroone bewegingen te overwegen. En toch dreef Sakharov ons ertoe... door de tijdpijl in zijn tweelinguniversum om te keren. Maar wat kon de fysische betekenis zijn van een zo uitzonderlijk wezen!?

Precies hier ligt een grote ontdekking van Souriau. Een beweging is gekoppeld aan een bepaalde keuze van parameters, een verzameling die Souriau het moment noemt dat bij deze beweging hoort. De relativistische beweging van een deeltje beschouwd als een materiepunt is gekoppeld aan een moment met tien componenten. Het gedetailleerde verhaal kan alleen worden behandeld voor mensen met enige kennis van theoretische natuurkunde. Voor de niet-theoretische natuurkundige schrijven we dat het moment is:

(E, plus andere dingen)

E is de energie.

Voorgaande pagina Volgende pagina

Aantal bezoeken aan deze pagina sinds 10 maart 2004: