1. Zwarte gaten

Laten we makkelijk beginnen: zwarte gaten! Deze enorme stellaire objecten hebben zeker een tweezitter nodig op de lijst van verbijsterende natuurkunde. Zwarte gaten zijn intrinsiek duizelingwekkend, op zowel de fascinerende als doodenge manier. Voor wie er nog niet eerder van heeft gehoord, hier een korte uitleg.

Iedere planeet heeft zijn eigen ontsnappingssnelheid, dat is de snelheid die nodig is om aan zijn zwaartekracht te ontsnappen. De aarde, bijvoorbeeld, heeft een ontsnappingssnelheid van 11 kilometer per seconde. Stel je voor dat je een bal omhoog gooit: na een tijdje valt die weer omlaag. Maar als je een bal zou gooien met 11 kilometer per seconde, zou die ontsnappen aan de zwaartekracht van de aarde en nooit meer naar beneden komen. Hij zou wegvliegen het universum in, als een losgelaten heliumballon (die 39.600 km/h gaat).

Hoe zwaarder een object is, des te groter is zijn ontsnappingssnelheid. Dus, dacht Einstein, er moet een object zijn dat zo compact is, zo zwaar, zo gestoord massief, dat zijn ontsnappingssnelheid hoger is dan de snelheid van het licht: 1.000.000.000 km/h. Wat blijkt, Einstein had gelijk (zoals altijd): deze gestoorde objecten bestaan! Omdat ze zo massief zijn dat zelfs licht niet kan ontsnappen, blijven zij in de ongrijpbare duisternis: zwarte gaten.

Een interessant feitje over zwarte gaten is dat ze geen fysiek oppervlak hebben. Planeten, manen, sterren en andere hemellichamen hebben een oppervlak: je kunt zien waar het object begint en eindigt. Een zwart gat ziet er vergelijkbaar uit (het is nog steeds een bol, maar dan zwart), maar in realiteit bekijk je iets fundamenteel anders. De zwarte bol die je ziet in beelden, is een optische scheidingslijn: erbuiten kan licht nog ontsnappen, erbinnen niet. Het is geen fysiek oppervlak. De echte massa is begraven diep in de bol, in een infinitesimaal klein volume genaamd een singulariteit. Dus zwarte gaten hebben niet zomaar een hoge dichtheid, ze hebben een oneindig hoge dichtheid.

Dit is waarom sommige mensen zwarte gaten ook wel ‘ruimte-stofzuigers’ noemen, alsof ze alles om zich heen opzuigen. En hoewel dat een lekker angstaanjagende analogie is, vind ik dat die uitleg best wel zuigt.

De aarde en een zwart gat lijken op elkaar qua vorm, maar zijn fundamenteel verschillend. Beeld: Serafine Beugelink

2. Atomen

We nemen een duik van astronomisch groot naar fundamenteel klein: atomen. Wat zit er in een atoom? Protonen, neutronen, elektronen? Nou ja, maar nee. Atomen bestaan voornamelijk uit niks. Leegte. Neem bijvoorbeeld waterstof: de kern past wel 5.000.000.000.000.000 keer in het atoom! Om dit in perspectief te zetten: als het atoom een kathedraal zou zijn, dan was de kern een fruitvliegje.

Wat is dan deze leegte? Als je ‘lucht’ zei, ga direct naar de gevangenis (en niet langs start). Hoewel lucht misschien leeg lijkt, is het bomvol gevuld met atomen. De leegte in atomen is simpelweg dat: leegte. Het is een vacuüm. En dus: alles om ons heen, onze gehele fysieke wereld, bevat meer vacuüm dan deeltjes. Veel meer.

3. Entropie

Entropie is een term die je misschien al eerder hebt gehoord. Het wordt vaak gebruikt als synoniem voor chaos: hoe chaotischer een systeem is, des te hoger is zijn entropie. Dat is op zich waar, maar de officiële definitie van entropie klinkt wat minder sensationeel. Het is het aantal microstaten behorend bij een macrostaat. Blijf bij me.

Een macrostaat is een macroscopisch, uitvergroot beeld van een situatie. Bijvoorbeeld, ‘een rommelige slaapkamer’ is een macrostaat. Een microstaat is het microscopische, gedetailleerde beeld van die situatie. Je slaapkamer kan rommelig zijn omdat het bed niet is opgemaakt, of omdat er sokken op de grond liggen, of omdat er overal kleren liggen… Dit zijn allemaal verschillende microstaten die resulteren in dezelfde macrostaat: een rommelige kamer. Omdat deze macrostaat zoveel microstaten heeft, heeft het een hoge entropie. Conclusie: een rommelige kamer heeft een hoge entropie.

Laten we nu een beetje opruimen: bekijk een nette, opgeruimde slaapkamer. In dit geval zijn er wat beperkingen. Je sokken en kleding kunnen niet meer overal zijn, maar bijvoorbeeld alleen in de kast of wasmand. De macrostaat “een opgeruimde slaapkamer” heeft minder opties (en dus minder microstaten) dan “een rommelige slaapkamer”. Conclusie: een opgeruimde kamer heeft een lage entropie.

Nu wordt het interessant. De tweede wet van thermodynamica zegt dat de entropie van een systeem zal toenemen over tijd. Wat betekent dit voor onze slaapkamer? Een opgeruimde kamer zal vanzelf rommelig worden! Dus de volgende keer dat je je slecht voelt over de troep in je kamer, onthoud: het is niet jouw schuld. Het is letterlijk een natuurwet.

Een rommelige kamer heeft een hogere entropie dan een opgeruimde kamer. Beeld: Serafine Beugelink / Unsplash

4. The definitie van leven

Nu we een goede basis hebben in entropie, kunnen we die gebruiken om te filosoferen. Wat is de definitie van leven? Een bioloog zou een lijst geven van eigenschappen: het eet, het groeit, het plant zich voort… Maar hoe zit dat met natuurkundigen? Wat beschouwen zij als de definitie van het leven? Deze definitie is gegeven door een zekere natuurkundige die vaak wordt geassocieerd met een kat: Erwin Schrödinger. Hij zei: “leven gebruikt vrije energie om zijn entropie constant te houden of te verlagen.” Wat betekent dat?

Laten we weer een blik werpen op ons slaapkamer-scenario. Mettertijd gaat de kamer vanzelf van opgeruimd naar rommelig (toename in entropie). Je zou ook de andere kant op kunnen gaan: van rommelig naar opgeruimd (afname in entropie). Maar zoals je je kunt voorstellen, kost dat energie. Slaapkamers worden op zichzelf rommelig, maar ze zullen nooit vanzelf netjes worden: dat kost arbeid, door actief op te ruimen. Als je de entropie van je kamer zou willen “verlagen of constant houden”, zou je continu arbeid moeten leveren. Sokken opruimen, stof opvegen, de vloer schoonmaken… Allemaal zodat het opgeruimd blijft en de entropie laag blijft. Dit is wat levensvormen intern doen.

Een levend lichaam is vanbinnen actief aan het opruimen, en houdt daarmee zijn entropie laag. Denk bijvoorbeeld aan het menselijk genoom. Daar wordt je DNA continu gedupliceerd, en het is niet ongewoon dat er mettertijd fouten optreden. De enzymen in het lichaam werken actief om dit op te lossen: ze analyseren het gedupliceerde DNA, zoeken afwijkingen en lossen die op. Dat is alsof iemand je slaapkamer binnenkomt, het analyseert op rommel en dan opruimt. Zo blijft de kamer netjes en entropie laag.

Wat als leven niet zijn entropie zou “verlagen of constant houden”? In dat geval zou entropie vanzelf toenemen over tijd. Met andere woorden: het lichaam zou over tijd steeds rommeliger worden en steeds meer fouten oplopen. Totdat de interne processen niet meer functioneren. Met alle gevolgen van dien.

Het is duidelijk belangrijk dat leven zijn entropie laag houdt. Maar we weten dat dat energie kost (om op te ruimen). Waar haalt leven die energie vandaan? Het antwoord is zonlicht. Of je nou je energie haalt uit planten of dieren, de onderliggende bron is altijd zonlicht. Sterker nog, meer dan 99.999% van al het leven op aarde haalt zijn energie uit de zon. Leven gebruikt zonlicht om intern arbeid te verrichten, om entropie te verlagen en zichzelf in leven te houden.

Hier is nog iets geks om over na te denken. De energie die wij van de zon oogsten, is dezelfde energie die de zon actief verliest: het straalt het universum in.

Dus wij kunnen leven, omdat de zon stervende is.