In ons melkwegstelsel zijn er naar schatting vijftig miljard planeten. Daarvan bevinden zich er zeker vijfhonderd miljoen in de bewoonbare zone, het gebied rond sterren waar planeten ‘leefbare’ temperaturen kunnen hebben. De schatting is afkomstig van de leider van de onderzoeksgroep van de Kepler-missie, William Borucki.
In ons melkwegstelsel komen er ongeveer vijfhonderd miljoen planeten voor in de bewoonbare zone.
De planeetzoekende satelliet Kepler heeft tot nu toe een vierhonderdste deel van de hemel gescand en hierbij 1235 exoplaneten gevonden. Hiervan bevonden zich naar schatting 53 in de bewoonbare zone van hun ster.
In onze melkweg bevinden zich rond de tweehonderd tot vierhonderd miljard sterren. Er zijn dan vier tot acht maal zoveel sterren als planeten. Dit lijkt laag: alleen onze zon heeft immers al acht planeten.
Het gaat hier echter om een ondergrens, gebaseerd op de gemeten planetendichtheid van onze kosmische omgeving. Omdat Kepler alleen planeten kan vinden die vanaf de aarde gezien voor de schijf van hun moederster voorbij trekken, is de schatting mogelijk aan de lage kant. De kans is immers vrij klein dat de omloopbaan van de planeet precies tussen de ster en de aarde ligt. Het kost meer tijd om exoplaneten te vinden die verder van hun ster afliggen omdat deze langzamer bewegen.
De menselijke beschaving is nog steeds niet de wieg die de aarde is, ontgroeid. Dat heeft denkers als astrofysicus Nikolai Kardashev er niet van weerhouden om na te denken hoe onze beschaving zich in de verre toekomst zal ontwikkelen. Hij onderscheidde vijf Trappen van Kardashev. Zullen we de vijfde trap van Kardashev bereiken voor we onszelf vernietigen?
Alles is energie
Hoe een toekomstige beschaving er uit komt te zien, weten we niet. Zal er een manier gevonden worden om sneller dan het licht te reizen? Zullen we wonen in enorme zwevende ruimtekolonies zo groot als de maan? Of zal de mens worden vervangen door intelligente machines? Zal het toekomstige economische systeem nog steeds kapitalisme zijn of een volkomen nieuw systeem? Een ding is in ieder geval zeker: elke beschaving wordt gekenmerkt door de mate waarin deze energie gebruikt.
Meer dan tien keer zo veel energie als de oude Romeinen
We hebben onze welvaart bereikt omdat we veel meer energie kunnen gebruiken dan bijvoorbeeld de oude Romeinen. Pper persoon meer dan tweeduizend watt. Ter vergelijking: de Romeinen of de middeleeuwers, moeten het met minder dan honderd watt doen. Tweehonderd watt is de maximale arbeid die het menselijk lichaam gedurende langere tijd kan leveren. Economische groei is vrij nauw verbonden met de mate waarin we energie kunnen gebruiken. Zo lag door de economische recessie rond 1982 het wereldenergiegebruik lager dan twee jaar eerder. Er zal geen economische groei (of zelfs maar de huidige welvaart) zijn als we geen vervanger vinden voor de nu snel uitgeput rakende fossiele brandstoffen.
Als we het energieprobleem hebben opgelost is het daarom te verwachten dat toekomstige beschavingen veel meer energie zullen gebruiken dan wijzelf. We kunnen zelfs vrij nauwkeurig voorspellen welke technologische doorbraken behaald kunnen worden aan de hand van de benodigde energie. Om die reden heeft Nikolai Kardashev zijn classificatiesysteem van beschavingen gebaseerd op energie. En wel door deze te rangschikken naar energieverbruik. Het heelal om ons heen beschikt over enkele duidelijke mijlpalen die hiervoor gebruikt kunnen worden. Dat zijn de beschikbare energie op de aarde, in het zonnestelsel, de melkweg en het universum.
De formule van Sagan Astronoom Carl Sagan bedacht een vrij simpele formule om het Kardashevniveau van een beschaving te meten. Deze is afgeleid van het energieverbruik als volgt: [latex]K = \frac{\log_{10}{W}-6} {10}[/latex]. Dit benadert vrij mooi de opeenvolgende stappen in de Kardashev-schalen die rond de tien miljard, tien tot de macht tien, liggen. De hele aarde (Kardashev-1) krijgt maar een tienmiljardste van de energie van de zon (Kardashev-2) etcetera. Daarom wordt gedeeld door tien: de logaritme van een getal geeft bij benadering het aantal nullen. Log duizend is drie, log miljoen is zes, log tien miljard is tien. Een megawatt, het vermogen van een kleine windmolen, is dus Kardashev-nul. De spierkracht van alle mensen samen heeft een vermogen van Kardashev 0,6. Het Romeinse Rijk met al zijn slaven haalde een schamele 0,4. Als we in deze formule het energieverbruik van de aarde in 2020 invullen, 15 terawatt (=1,5 x 1013 watt), scoren we nu dus 0,718.
Kardashev één: de wereld is niet genoeg
Onze beschaving verbruikt met vijftien terawatt veel energie. Maar deze energie vormt maar een kleine fractie van alle energie die op aarde beschikbaar is.
Een Kardashev-1 beschaving kan in principe het weer controleren. Over twee eeuwen zijn er dus mogelijk nooit meer orkanen.
We staan op de Kardashev-schaal dan ook nog maar rond de 0,7. Alle zonne-energie die op het aardopppervlak neerstraalt vertegenwoordigt 120.000 TW, achtduizend keer zoveel.
Hoe stompzinnig de mensheid bezig is wordt pas echt duidelijk als je je bedenkt dat we maar zeven procent van al ons energieverbruik uit directe en indirecte zonne-energie (waterkracht en wind) halen. De rest bestaat uit fossiele brandstoffen (85%) en de enigszins duurzame kernenergie. Dat is zes procent, al moet dan wel worden overgeschakeld op kweekreactoren.
1% van het aardoppervlak bedekken met zonnepanelen is reeds voldoende om alle energie te leveren die de mens nu nodig heeft. Met een geschat groeipercentage van 3% per jaar duurt het bijna een eeuw voor de woestijnen vol staan.
Ondertussen zullen uiteraard al zwevende zonnecentrales actief zijn. De zon schijnt in de ruimte altijd en er is geen hinderlijke atmosfeer. Kortom: Kardashev-één ligt tussen de honderd en tweehonderd jaar na nu, als we huidige trends mogen doortrekken.
Kardashev twee: de zon melken
Hoewel de hoeveelheid zonlicht die op de aarde valt enorm is, is het maar een tien miljardste van alle energie die de zon uitstraalt: 3,8 * 1026 watt.
Wetenschapper Dyson bedacht een enorme schil die we om de zon kunnen bouwen om zo alle energie van de zon te benutten.
Een vergevorderde beschaving kan alle zonlicht dat nu de ruimte in straalt opvangen met zwevende zonnecentrales en verwerken tot bijvoorbeeld antimaterie of het gebruiken om sterrenschepen naar andere sterren te sturen.
Om voldoende zonnecentrales te bouwen zouden planeten als Mercurius en Venus uit elkaar gesloopt moeten worden. Of we moeten de benodigde constructiematerialen van de enorme gasreuzen Jupiter en Saturnus of de twee kleinere ijsreuzen Uranus en Neptunus halen. Een zinniger plan, want er zijn aanwijzingen dat Mercurius en Venus de omloopbaan van de aarde in evenwicht houden)
Kardashev drie: een heel melkwegstelsel aftappen
De gehele zon is nu omgeven door een donkere wolk van dof gloeiende energiecentrales, die een indrukwekkende bevolking (of gigantische machines) kunnen ondersteunen. Echter: de zon is maar een miezerig sterretje vergeleken met de energie die honderden miljard andere sterren uitstralen. Om het maar niet te hebben over de hoofdprijs. Namelijk het enorme zwarte gat in het centrum van het melkwegstelsel. Zwarte gaten kunnen, weten we uit astronomische waarnemingen van quasars, werkelijk ongehoord grote hoeveelheden energie kan opwekken, meer dan alle sterren bij elkaar.
Kortom: het volgende agendapunt voor onze verre nazaten is het ombouwen van het hele melkwegstelsel tot een enorme energiecentrale. Alle honderden miljarden sterren zullen voorzien worden van zwevende zonnepanelen. Het altijd hongerige zwarte gat in het centrum van de melkweg zal mogelijk een centrale worden waar waardeloze uitgebrande sterren heen gesleept worden om opgestookt te worden. Objecten die in zwarte gaten vallen, leveren namelijk tot tientallen procenten van hun massa op in energie. De donkere materie als energiebron aftappen – als dat zou lukken – zou nog veel meer energie opleveren. De totale hoeveelheid energie in het melkwegstelsel ligt vermoedelijk rond de 4 x 1037 W, honderd miljard maal meer dan die van de zon.
Kardashev Vier: het universum ombouwen
Ons melkwegstelsel is niet uniek, maar heeft biljoenen soortgenoten. Een echt vergevorderde beschaving zou zijn begerige ogen laten gaan over de onafzienbare hoeveelheid andere melkwegstelsels. Afstanden worden nu een enorm probleem. Immers, zelfs het licht doet een miljoen lichtjaar over de reis naar onze buur, het Andromedastelsel. Maar een beschaving met voldoende hulpbronnen kan uiteraard zelfvermenigvuldigende ruimteschepen met snelheden in de buurt van de lichtsnelheid op weg sturen naar andere sterrenstelsels.
Sommige uitvinders geloven dat we de enorme nulpuntenergie kunnen aftappen.
Volgens de laatste inzichten zet het heelal nu zo snel uit dat het niet zal lukken om de rest van het waarneembare heelal te bereiken. Dit betekent dat alleen de Lokale Groep en de Virgocluster, waar de Lokale groep deel van uitmaakt, in aanmerking komen.
Alle gas in melkwegstelsels is maar een deel van de totale hoeveelheid materie in het universum. Er is veel meer gas in de intergalactische ruimte, zij het zeer dun verspreid. Megalomane beschavingen zullen ook deze willen oogsten. Alle licht van de sterren in het zichtbare universum samen heeft een vermogen van 2 x 1049 W, een miljard maal meer dan die van het melkwegstelsel.
Mogelijk kunnen we ook de donkere energie temmen. Er is nog maar één natuurkundige constante die hier boven ligt: het Planck-vermogen van 3,63 x 1052 W, bijna tweeduizend keer zoveel. Is dit een maat voor de werkelijke hoeveelheid energie die ons universum verbruikt en die werd omgezet tijdens de Big Bang? Niemand weet het. We weten wel dat voor bepaalde kosmologische theorieën het erg makkelijk rekenen is met dit Vermogen van Planck.
Kardashev Vijf: parallelle heelallen aftappen
Tot voor kort was deze gedachte science fiction, maar uit de recente ontdekking van enorme ringen in de kosmische achtergrondstraling weten we dat er in het prille begin van het heelal waarschijnlijk andere heelallen met het onze zijn gebotst. De (overigens uiterst speculatieve) snaartheorie stelt dat er miljarden parallelle heelallen bestaan. Volgens de veel-werelden interpretatie van de kwantummechanica splitst ons heelal zich voortdurend in dochterheelallen.
Er zijn aanwijzingen gevonden dat ons heelal niet uniek is en in botsing is gekomen met andere heelallen.
Ons heelal zal na vele miljarden jaren uitgebrand zijn. Zelfs de allerzuinigste rode dwergen doven langzaam na duizend miljard jaar. Kortom het zou wel eens een erg verstandig idee kunnen zijn om te proberen op tijd weg te komen uit dit universum. Een verder gaand plan is zelf nieuwe universa uit het niets scheppen en de energie aftappen die vrij komt door met universums te spelen.
Misschien kunnen we de hoger dimensionale equivalent van ruimtetijd, zoiets als ylem, zo manipuleren dat hier onvoorstelbare hoeveelheden energie uit vrij komen. Er is geen religie, de hindoeïstische uitgezonderd, die aan deze mogelijkheid heeft durven denken. Hier begeven we ons op compleet onbekend terrein. Als wetenschappers een manier ontdekt om naar een ander universum te reizen, hebben we in één klap al Kardashev Vijf bereikt. De vermogens van de mens zullen dan ongekend zijn. Laten we hopen dat we tegen die tijd de ergste stommiteiten verleerd hebben.
Bestaan er heelallen naast dat van ons? De snaartheorie zegt van wel. Alhoewel het bewijs voor de snaartheorie ontbreekt, zijn er wel sterke aanwijzingen dat er heelallen naast het onze bestaan: merkwaardige, enorme ringvormige structuren in de kosmische achtergrondstraling. Natuurkundige Michio Kaku gaat helemaal los in deze korte videoclip.
Ons melkwegstelsel is er mee bezaaid. Enorme wolken plasma, gas zo heet dat atomen worden uiteengeslagen in ionen en elektronen. Tot voor kort werd gedacht dat plasma te chaotisch was om wat v oor structuur ook te bevatten, maar de Russische natuurkundige V.N. Tsytovitsj ontdekte met twee anderen iets opmerkelijks: stofdeeltjes die spiralen vormen die zichzelf vermenigvuldigen. En muteren…
Intelligente stofwolken en rode regen uit de ruimte
De geniale, maar nogal excentrieke astronoom Fred Hoyle schreef ook geregeld science-fiction boeken.
Chandra Wickramasinghe vermoedt dat de stofwolken tussen de sterren vol leven zijn.
In één van die boeken, The Cloud, wordt de aarde plotsklaps omgeven door een grote stofwolk van miljoenen kilometers groot. De gevolgen voor de aarde zijn nogal vervelend: extreem hoge temperaturen en weinig licht brengen de mensheid op de rand van de afgrond. Atoombommen die op de wolk worden afgeschoten komen weer op aarde terecht.
Op een gegeven moment komt het team er achter dat de wolk levend is, zeer intelligent zelfs en af is gekomen op de radiosignalen van de aarde. Uiteindelijk slaagt een team onderzoekers er in de wolk duidelijk te maken dat hij beter een andere plek kan zoeken om zich op te laden met zonlicht.
Hoyle’s student en strijdmakker, de al even briljante en excentrieke Chandra Wickramasinghe, net als Hoyle zelf een fervent panspermist, verkondigt al jaren dat de interstellaire gas- en stofwolken leven bevatten. Volgens Wickramasinghe verklaart dat de rode regen die in 2001 in de Zuid-Indiase deelstaat Kerala optrad. Deze standpunten (en hun ontkenning van de Big Bang) leverden ze weinig vrienden op bij hun collega’s.
Een onverwachte ontdekking van natuurkundige Tsytovitsj en zijn collegas’s uit Duitsland en Australië maakt het domein waar leven -zou- kunnen voorkomen in één klap een stuk groter.
Ze ontdekten namelijk -met behulp van een computersimulatie- dat in stofwolken met veel geladen deeltjes door moleculaire krachten de deeltjes zich in spiraalvormige structuren gaan organiseren die wel wat weg hebben van DNA.
Bevatten stofwolken buitenaards leven? We weten in ieder geval wel dat ze enorme hoeveelheden organische moleculen zoals aminozuren bevatten.
De spiraaltjes kunnen zich splitsen, kopiëren en muteren. Processen die tot nu toe uniek werden geacht voor DNA en RNA. Misschien dat zich ook grotere structuren kunnen vormen die door middel van elektrische ladingen bij elkaar blijven en met elkaar communiceren. Kortom: misschien ontwikkelt zich uiteindelijk iets als de Wolk. of een andere structuur die we ons niet kunnen voorstellen.
Uiteraard is het nog een lange weg vanaf deze spiraaltjes tot een intelligente stofwolk a la Hoyle of zelfs maar eencellige ruimteorganismen. Wel wijst Tsytovitsj op een andere interessante implicatie: bliksemontladingen als mogelijk bron van de levenbrengende spiraaltjes die vervolgens als matrijs de aanzet hebben gegeven tot de ontwikkeling van organisch leven.
De aarde is gastvrij voor leven: vocht, aangename temperaturen en zuurstof. Precies dezelfde redenen die de planeet voor machines een risicovolle omgeving maken. Buiten de aarde zijn de omstandigheden voor mensen onleefbaar, maar voor machines in veel opzichten ideaal: luchtledig dus geen chemisch agressieve zuurstof, geen water (die al even funest werkt) de overvloedige zonne-energie. Gaan de wegen van mens en machine zich scheiden?
Aarde is erg vijandig voor machines (en andersom)
Patman van Zaplog wees me op het uitstekende en visionaire boek Cradle to Cradle. Lezen hiervan was (en is) bepaald geen zonde van uw tijd. Eén van de inzichten hiervan is dat er in feite twee ecosystemen bestaan: de ecosfeer, bestaande uit planten, dieren en mensen en de technosfeer, de grondstoffenkringloop in de industrie.
Machines houden het vaak niet erg lang uit in het oerwoud...
Ecosfeer en technosfeer houden er een ongemakkelijke en weerbarstige relatie op na. Het wordt steeds duidelijker dat materialen uit de technosfeer, zoals plastics, mijnafval en bergen met kolenslakken en bepaalde elektromagnetische straling, funeste gevolgen hebben op de ecosfeer. Omgekeerd (vraag de slachtoffers van zeepokken of iemand met schimmel in huis maar) probeert de ecosfeer materialen uit de technosfeer op te slokken en deel uit te laten maken van zichzelf. Apparaten op plaatsen waar de ecosfeer het sterkst aanwezig is, moerassen en oerwouden bijvoorbeeld, hebben het sterkst te lijden van slijtage en zijn hulpeloos zonder menselijke technici die ze voortdurend onderhouden.
De ruimte: ongastvrij voor mensen, een paradijs voor machines
Buiten de atmosfeer verandert de situatie volkomen. Hier zijn machines sterk in het voordeel. De lage of zelfs afwezige zwaartekracht betekent dat machines doorgaans veel beter en efficiënter werken.
maar mensen nog minder lang in het luchtledig van de ruimte.
De omgeving is veel voorspelbaarder: het is makkelijker om een robot op weg te sturen naar Titan dan een robot in een oerwoud te laten lopen. In de ruimte is er niemand die last heeft van de enorme afvalhopen die industriële processen, bijvoorbeeld het winnen van erts, achterlaten. Sterker nog: dit afval kan vaak heel goed voor een ander industrieel proces gebruikt worden.
Daarentegen is de ruimte voor mensen een vijandige omgeving. Er is veel meer kosmische straling dan op aarde. Er is geen zuurstof, voedsel en water. Temperatuursverschillen zijn zeer groot (Mercurius is de recordhouder). Mensen kunnen in de ruimte alleen in leven blijven omdat er een compleet ecosysteem van machines voor zorgt dat een adembaar mengsel vast wordt gehouden en wordt ververst.
De ruimte als industriegebied, de aarde als woongebied
Met uitzondering van vijftig kilometer boven Venus (en zelfs daar is bescherming tegen kooldioxide en geconcentreerd zwavelzuur nodig) is de rest van het zonnestelsel alleen na uitgebreide technische aanpassingen, denk aan het uithollen van asteroïden of drukkoepels, voor mensen bewoonbaar.
Er zullen veel mensen zich in de ruimte vestigen – de hoeveelheid grondstoffen is enorm en met enige aanpassingen zijn de mogelijkheden echt onbegrensd – maar de meeste mensen zullen voorlopig op de aarde blijven wonen. Wel kan de industrie voor een groot deel naar de ruimte worden verplaatst. Dingen die op aarde heel veel energie kosten om te bereiken, denk aan vacuüm, microzwaartekracht en temperaturen vlak bij het absolute nulpunt, zijn in de ruimte een gegeven. Mensen kunnen in hun gerieflijke woonomgevingen op aarde of drijvende kolonies op Venus de ontwerpen maken, die door machines in ruimtestations worden verwerkt tot producten. De machines snorren en werken ongestoord door vocht, agressieve zuurstof of zwaartekracht aan delicate nanoschakelingen.
Het Niets is minder leeg dan door Einstein werd gedacht. Een dichte zee virtuele deeltjes, een gevolg van de kwantumonzekerheid vult zelfs de leegste ruimte. En remt, zo leiden onderzoekers af, zelfs stofdeeltjes af. Newton zou zich in zijn graf omdraaien…
Virtuele deeltjes: spookmaterie
We kunnen niet precies weten of een stukje ruimte helemaal leeg is. Niet omdat onze meetinstrumenten niet goed zijn, maar door een fundamentele beperking, de kwantumonzekerheid. Hoe korter het tijdsinterval, hoe minder precies we de energie kunnen weten. Virtuele deeltjes, spookdeeltjes, ontstaan omdat we op grond van deze fundamentele onzekerheidsrelatie van Heisenberg niet kunnen uitsluiten dat ze gedurende een zeer korte tijd niet bestaan. De virtuele deeltjes worden in paren gevormd en vallen in een ontelbaar korte tijd weer uiteen.
Virtuele deeltjesparen bestaan uit een deeltje en een antideeltje, of deeltje dat terug in de tijd reist.
Dat de deeltjes bestaan en niet alleen een theoretisch verzinsel zijn, weten we uit meerdere experimenten. Zo zouden bijvoorbeeld elektronen bij metingen een sterkere lading moeten hebben dan werkelijk wordt gemeten. De afwijking wordt veroorzaakt omdat spook-deeltjesparen van elektronen en anti-elektronen (positronen) zich zo draaien dat de spook-positronen richting het elektron gaan staan en het zo afschermen.
Ook het bizarre Casimir-effect kan door virtuele deeltjes worden verklaard. Twee platen die vlak bij elkaar staan (in de praktijk: enkele atoomdiktes), trekken elkaar aan. Omdat zich in de nauwe ruimte tussen twee platen minder virtuele deeltjes kunnen vormen dan in het “normale” vacuüm, oefent dit leger-dan-lege vacuüm minder druk uit dan normaal vacuüm. Het resultaat: de platen worden op elkaar geperst. Ook is het in 2010 gelukt om deeltjes (elektron-positron paren) uit het niets te scheppen met niets anders dan geconcentreerd laserlicht. De laser leverde de energie die nodig was om de virtuele elektronen en positronen reëel te maken.
De kwantummechanica stelt dat een voorwerp, ook al bevindt het zich in totaal vacuüm, in werkelijkheid voortdurend in contact staat met virtuele deeltjes. Virtuele deeltjes gedragen zich als een gas, dat wil zeggen dat onvoorspelbaar is welke richting ze bewegen. Het gevolg is dat als een voorwerp snel ronddraait, de virtuele deeltjes rond het voorwerp versneld worden in de draairichting. De Spaanse fysici Alejandro Manjavacas en F. Javier GarcÃa de Abajo van het Optisch Instituut in Madrid voorspellen dat virtuele fotonen die een voorwerp tegen de draairichting in raken, meer impuls krijgen dan virtuele fotonen die met het voorwerp mee bewegen. Het gevolg: de fotonen met veel energie worden reëel en het voorwerp verliest draaiingsenergie. De energie moet immers ergens vandaan komen.
Zware deeltjes met een reflecterend oppervlak zoals gouddeeltjes zullen nauwelijks beïnvloed worden door dit effect. Het verhaal wordt anders voor roetdeeltjes waar kosmische stofwolken mee bezaaid zijn. Op kamertemperatuur kost het tien jaar voordat een stofdeeltje van 0,1 micrometer tweederde van zijn draaisnelheid heeft verloren. In de koude interstellaire ruimte (drie kelvin) duurt dit 2,7 miljoen jaar. In hete gebieden van zevenhonderd graden duurt dit slechts drie maanden.
Het is dus mogelijk om zelfs in de absolute leegte te remmen.
Zou het in theorie mogelijk zijn dat er een levensvorm bestaat, bestaande uit iets anders dan materie? Een verkenning van de mogelijkheden.
Wat is leven?
De definitie van wat leven is, wordt steeds verder opgerekt. Een aantal kenmerken duiken echter steeds weer op. Levende organismen kennen een vorm van stofwisseling (het omzetten van het ene in het andere), houden zichzelf in dezelfde toestand, kunnen groeien, kunnen zich voortplanten en kunnen zich door natuurlijke selectie aanpassen aan hun omgeving in opeenvolgende generaties: evolutie.
Hier op aarde kennen we eencelligen als archeae en bacteriën tot sequoia’s, vinvissen en alles er tussenin. Al deze levensvormen hebben gemeen dat ze uit cellen bestaan en op dezelfde biochemie van eiwit, RNA en DNA zijn gebaseerd.
Niet-organisch leven
Toch zijn dit niet alle denkbare levensvormen. Mogelijk bestaan er levensvormen die niet op de aardse biochemie maar een ander principe zijn gebaseerd.
Buitenaards leven zou gebaseerd kunnen zijn op silicium in plaats van koolstof, al achten wetenschappers de kans erg klein: silicium is chemisch veel weerbarstiger dan koolstof.
Autokatalytische verschijnselen als vuur, tinpest en kristallen, ook RNA-strengen, prionen en andere moleculen zijn in staat zich te vermenigvuldigen. Gooi een zeer klein kristalletje natriumsulfaat (glauberzout) in een verzadigde natriumsulfaatoplossing en er vormt zich snel een enorm kristal. Sommige kristallen splitsen zichzelf tijdens het groeien in stukken die ook weer uit kunnen groeien. Er is sprake van een structurele verandering, metabolisme dus, en vermenigvuldiging. In de meeste gevallen zijn deze structuren niet in staat om te evolueren omdat ze nauwelijks informatie bevatten. In enkele gevallen (zoals RNA maar ook bepaalde mineralen zoals kleiplaatjes) zijn wel ingewikkelder structuren mogelijk. Onderzoekers testen nu bijvoorbeeld uit of bepaalde typen metaaloxiden dergelijke evoluerende structuren kunnen vormen.
Leven dat niet uit vaste materie bestaat Computervirussen leven in een niet-organisch ecosysteem. Ook de bewoners van digitale werelden zijn in staat tot evolutie (en worden daarom vaak om die reden voor evolutieonderzoek gebruikt). Het gat hier om kunstmatige leefomgevingen, maar in principe moet ieder natuurkundig systeem waarin er entropie bestaat en op de een of andere manier informatie op kan slaan en verwerken, in principe leven kunnen herbergen, denken sommigen. Leven zou dan kunnen bestaan in sterren, op de oppervlakte van neutronensterren, als wervelwinden in de atmosfeer van een gasreus, misschien zelfs als licht dat op de een of andere manier met elkaar verknoopt is. Of Efimov-ringen. Omgevingen die te chaotisch zijn komen vermoedelijk niet in aanmerking omdat levende structuren in een fractie van een seconde uit elkaar worden gerukt.
Omgekeerd: we weten nog maar heel weinig. Misschien dat zelfs de structuur van ruimte-tijd zelf ontastbare levensvormen bevat. We weten dat op het allerdiepste niveau enorm veel complexiteit zit. Er moeten kwantumatomen bestaan ter grootte van de constante van Planck. Ons eiland van kennis wordt omringd door een oceaan van onwetendheid, en al wordt ons eiland snel groter, de oceaan is nog steeds onafzienbaar groot.
Mensen op reis naar een andere ster sturen is lastig. De afstanden zijn werkelijk enorm, ter vergelijking: de dichtstbijzijnde ster, Alfa Centauri, staat ongeveer 266 000 maal zo ver van ons af als de zon. Dus laten we bacteriën op pad sturen om het leven een handje te helpen, stellen sommigen. Geniaal of een stommiteit van werkelijk kosmische omvang?
De wieg van het leven is in gevaar
De aarde, daar zijn we zo langzamerhand wel achter, is een gevaarlijke plaats. Nog niet zo heel lang geleden in kosmische termen, ongeveer 66 miljoen jaar geleden, vaagde een asteroïde vrijwel alle dinosauriërs weg. Zelfs al slaagt de aarde er in dergelijke kosmische rampen te voorkomen, zelfs dan heeft de aarde niet het eeuwige leven.
De zon ziet er in de verre toekomst ongeveer zo uit. Voor die tijd kunnen we maar beter maken dat we wegkomen.
Over een tot twee miljard jaar wordt deze planeet drooggekookt en verandert ze in een tweede Venus. Zelfs de taaiste organismen, zoals rotsbacteriën, zullen dan weg worden gevaagd. Als de zon na nog eens vijf miljard jaar opzwelt tot rode reus, zal ze de geblakerde aarde opslokken. Kortom: willen we dat de mensheid, of iets minder chauvinistisch, het aardse leven overleeft, dan moeten we op tijd vertrekken uit het zonnestelsel. In ieder geval tussen nu en vijf miljard jaar in de toekomst.
Eencellige astronauten
Bacteriën zijn weinig veeleisend. Ze zijn uiterst licht – een uitgesproken voordeel als hoge snelheden bereikt moeten worden -, kunnen als spore in schijndood gaan, zijn bestand tegen hoge doses straling en zijn vaak veel minder kieskeurig dan mensen als het om voedingsbronnen gaat.
Over tweehonderd miljoen jaar ontwikkelt zich op een supercontinent een enorme woestijn, denken sommigen.
Een ruimteschip voor een bacterie, fervente SF-griezelfilm kijkers weten het, hoeft niet groter te zijn dan een paardenbloemzaadje. Je versnelt ze met een laser en in enkele tienduizenden tot honderdduizenden jaren bereiken ze een naburig zonnestelsel of gaswolk.
De filosofie van de bedenkers van dit plan, Michael Mautner en anderen van de Panspermia Society, is dat als maar enorme aantallen van deze micro-ruimteschepjes worden gelanceerd – je praat dan over vele miljarden – er enkele terecht zullen komen op het oppervlak van een exoplaneet of -wanneer ze op een protoplanetaire stofwolk worden gericht – in een leefbare omgeving op een toekomstige planeet. Hopelijk zullen ze zich dan ontwikkelen tot wezens die net zo slim zijn als de bedenker van dit plan. Pers slot van rekening is dat op aarde ook gebeurd: onze verre voorouders waren eencelligen. Carl Sagan suggereerde in 1966 dat mogelijk een buitenaards ras de aarde miljarden jaren geleden heeft ingezaaid. Dit zou verklaren waarop er zo kort na het ontstaan van de aarde leven ontstond.
Invasie uit outer space
Uiteraard zullen we op tijd weg moeten zijn van onze knusse, doch onveilige aardkloot. En beter dat de aardse biosfeer als bacterie voortleeft, dan dat de kosmos levenloos achter blijft als een welgemikte gammaflits, uit de hand gelopen kernoorlog of rampzalige wetenschappelijke proef onze planeet verandert in Ground Zero. De vraag is alleen of het zo slim is dat door middel van eencelligen te doen. Het heeft per slot van rekening meer dan vier miljard jaar geduurd voor zich uit eencelligen een denkend wezen ontwikkelde (tenzij één van de natuurrampen uit het verleden het gevolg was van een dino-kernoorlog). Kortom: we doen dan heel veel mopeite om iets te verspreiden wat hoogstwaarschijnlijk niet verder zal komen dan een plasje slijm.
Omgekeerd: als het leven minder zeldzaam is dan Mautner denkt, dan zullen intelligente aliens ongeveer net zo blij zijn met ons genereuze bacteriebombardement als de indianen met het pokkenvirus. Misschien komen ze dan op de gedachte deze biospammers een leuke zichzelf vermenigvuldigende nanobot op het lijf te sturen om ons naar steentijdniveau terug te brengen. Bij wijze van verzekeringspolis, zeg maar, om zo van toekomstige kadootjes verschoond te blijven. Ook zullen deze bacteriën muteren tot vormen die wellicht gevaarlijk zijn voor toekomstige menselijke kolonisten. Dan liever maar even wachten tot we een echt goed vervoermiddel hebben naar verre sterren voor mensen of andere denkende wezens. Het goede nieuws: we hebben een paar miljard jaar de tijd om dat te verzinnen.
Iedereen die wel eens met een simulatieprogramma van een zonnestelsel heeft gespeeld, weet dat het als een zonnestelsel nog niet in evenwicht is, het geregeld voorkomt dat planeten het zonnestelsel uit worden geschoten. Wij hoeven ons voorlopig geen zorgen te maken, de eerstkomende miljarden jaren is de omloopbaan van de aarde en die van de andere planeten in het zonnestelsel stabiel. Toch zijn er astronomen die nadenken over de vraag hoe het met de aarde of een vergelijkbare planeet af zou lopen als deze door een bijna-botsing de leegte van de interstellaire ruimte in wou worden geslingerd.
Miljarden jaren onder de grond
Een zwerfplaneet verandert al binnen korte tijd in een ijsbal.
Op aarde levert de zon achtennegentig procent van alle energie. Zonder zon zou de aarde binnen enkele maanden veranderen in een ijsbal met uiteindelijk aan de oppervlakte vastgevroren zuurstof- en stikstofijs. Toch zou niet alle leven op aarde uitsterven. We weten nu dat er diep onder de grond heel veel bacteriën en archaeae leven die niet op zonlicht, maar op de vervalproducten van radioactiviteit of van het omzetten van gesteente gedijen. Zelfs al de rest van de aarde veranderd zou zijn in een ijsbal, zouden diep onder de aardoppervlakte bacteriekolonies nog betere tijden afwachten.
Oceaan diep onder het ijs
Onderzoekers hebben nu berekend, dat niet alleen onderaards leven, maar zelfs primitief oceanisch leven een miljarden jaren durende reis door de interstellaire ruimte zou kunnen overleven. Bij hun berekeningen gingen ze uit van een superaarde met een massa van ongeveer drietiende maal aarde tot enkele aardmassa’s. Allesbepalend is hierbij de hoeveelheid water. Een planeet met een oceaan van vier kilometer diep (zoals op aarde) zou meer dan 3,5 maal zo zwaar als de aarde moeten zijn. Is sprake van een ijslaag of kooldioxidelaag van honderden kilometers dik zoals bijvoorbeeld op de Jupitermanen Ganymedes en Europa , dan zouden zich op een planeet van drietiende aardmasa of meer al oceanen kunnen vormen die miljarden jaren vloeibaar blijven.
Bacteriekwekende wormen Levensvormen zoals deze twee meter lange buiswormen zijn waarschijnlijk de hoogste levensvorm op een zwerfplaneet.Dit leven zou waarschijnlijk veel lijken op het leven zoals dat zich op aarde rond onderzeese vulkanische bronnen ontwikkelt. Grote wormen zouden in symbiose met bacteriën de laatste resten chemische energie uit de vulkanische bronnen proberen te halen.
Voor intelligent leven is er waarschijnlijk te weinig energie. Onze hersenen slokken een vijfde van alle energie die we gebruiken op, dit voor een orgaan dat misschien een procent of drie van ons totale gewicht uitmaakt. Vergisten, het zonder zuurstof afbreken van organische stoffen, brengt twintig keer zo weinig energie op als aerobe afbraak, de manier waarop het menselijk lichaam energie opwekt.
Zou zich toch intelligent leven ontwikkeld hebben, de natuur is veel vindingrijker dan we vaak denken, dan zouden de levensprocessen waarschijnlijk zeer traag verlopen. Kortom: ze vormen waarschijnlijk geen aangenaam gezelschap voor actieve zuurstofademers als wij. Gelukkig kennen zwerfplaneten weinig bezoekers…
Licht gebruiken als bouwmateriaal? Het idee klinkt te krankzinnig voor woorden. Toch is er meer mogelijk dan mensen zich realiseren. Het is namelijk mogelijk om licht in de knoop te leggen. En een ruimteschip gemaakt van licht kan natuurlijk zo snel als het licht…
Het meeste licht komt voor in de vorm van golven. De elementaire eenheid van licht is het lichtdeeltje, het foton. Een foton bestaat uit een elektrisch veld dat steeds wisselt en hierdoor een magnetisch veld opwekt, dat door zijn veranderingen weer een elektrisch veld opwekt.
Solitonen: kogelgolven
De meeste golven lijken op een zich uitbreidende ring (op het wateroppervlak bijvoorbeeld) of bolschil. Er bestaan echter ook golven die lijken op een reizend pakketje. Zulke golven breiden zich niet uit maar blijven zeer lang intact.
Peregrines soliton. Solitonen zijn eenzame golven die ver kunnen reizen zonder uit elkaar te vallen.
Deze “eenzame golven” worden solitonen genoemd. Anders dan normale golven bestaan ze niet alleen uit een lineair (voorspelbaar) maar ook uit een niet-lineair deel (een deel dat op zichzelf reageert, als je over je manier van denken nadenkt ben je dus niet-lineair bezig). Het niet-lineaire deel houdt als het ware de golf bij elkaar.
Solitonen komen in allerlei typen golvende media voor. De eerste keer dat een soliton werd beschreven was in 1834 door de Schotse ingenieur John Scott Russell. De geheimzinnige golf vormde zich in een nauw kanaal. Russell, diep onder de indruk, zette te paard de achtervolging in tot na enkele kilometers de golf verdween.
Eind negentiende eeuw ontdekten de Nederlanders Korteweg en de Vries de KdV-vergelijking die de golven beschrijft. De eenzame golven doken in allerlei media op, van supergeleiders tot rolwolken, in de akoestiek en in kwantumvloeistoffen. Tegenwoordig worden deze kogelgolven onder meer dankbaar gebruikt in glasvezeltechniek: ze verspreiden zich niet snel, waardoor het signaal helder blijft.
Solitonen vertonen enkele eigenschappen die we anders met materie associëren: ze kunnen op elkaar afketsen, samensmelten of juist in kleinere solitonen uiteenvallen. Enkele mooie voorbeelden zijn op deze website te vinden.
Ruimteschip bouwen met solitonen
Kortom: solitonen zouden wel eens een interessant, weliswaar niet erg sterk maar wel massaloos bouwmateriaal kunnen zijn. Precies wat je zoekt voor een ruimteschip waarmee je zo snel kunt als het licht, want met massa kost dat heel erg veel energie.
De unieke morning glory rolwolken boven Burketown in Noord-Australië: een voorbeeld van solitonen in de atmosfeer.
Vervelend is alleen dat solitonen alleen voorkomen in niet-lineaire media. Vacuüm is wel lineair, tenzij met laserlicht zo extreem veel energie in het licht wordt gepompt dat het vacuüm uiteen wordt getrokken. Dit is in een experiment kort geleden gelukt. In principe zou je dus door extreem krachtig laserlicht te bundelen solitonen kunnen creëren waarmee een door mensen gemaakte structuur ongeveer zo snel als het licht naar een naburige ster kan worden gestuurd.
Aanvullend voordeel is dat micrometeorieten of interstellair gas geen issue meer is. Deze vliegen dwars door de lichtsolitonen heen. Je kan je voorstellen dat een structuur van licht, een lichtschip zo je wilt, op weg wordt gestuurd en zodra het materie raakt, hierin de atomen zo herschikt dat een zelf-assemblerende machine ontstaat die verdere instructies krijgt.
Massaloze solitonbrandstof
Of misschien kan een microruimteschip aangedreven worden door een massaloos solitonhulsel (dat door langzaam uiteen te vallen energie levert) dat op de een of andere manier ook interstellaire materie uitschakelt (bijvoorbeeld door deze te magnetiseren en weg te schieten). Misschien maken vergevorderde aliens ook wel gebruik van deze techniek.
Dit idee is, ik zeg het met nadruk, uiterst speculatief. Het gaat uit van een aantal veronderstellingen (zoals dat ingewikkelder solitonstruturen te bouwen zijn dan de kleine verzamelingen bollen die hierboven beschreven zijn), die later door verder onderzoek ontkracht kunnen worden. Die kans is zelfs vrij groot. Wel zijn er al lichtmoleculen, bestaande uit twee solitonen, aangetroffen.
