De grote onbekenden van de wetenschap: 20 onopgeloste vragen

Waar is het heelal van gemaakt?

LONDEN – Astronomen staan voor een gênant raadsel: ze weten niet waar 95 procent van het heelal van gemaakt is. Atomen, die alles vormen wat we om ons heen zien, maken slechts een miezerige 5 procent uit. In de afgelopen 80 jaar is duidelijk geworden dat het aanzienlijke restant bestaat uit twee schimmige entiteiten – donkere materie en donkere energie. De eerstgenoemde, voor het eerst ontdekt in 1933, werkt als een onzichtbare lijm die sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels samenhoudt. De donkere materie, die in 1998 werd onthuld, drijft de uitdijing van het heelal tot steeds grotere snelheden. Astronomen komen steeds dichter bij de ware identiteit van deze onzichtbare indringers.

Hoe is het leven begonnen?

Vier miljard jaar geleden begon er iets te roeren in de oersoep. Een paar eenvoudige chemische stoffen kwamen samen en vormden biologie – de eerste moleculen die zichzelf konden repliceren verschenen. Wij mensen zijn door evolutie verbonden met die eerste biologische moleculen. Maar hoe kwamen de basischemicaliën die op de vroege aarde aanwezig waren spontaan samen tot iets dat op leven lijkt? Hoe kwamen we aan DNA? Hoe zagen de eerste cellen eruit? Meer dan een halve eeuw nadat de chemicus Stanley Miller zijn “oersoep” theorie voorstelde, zijn we het nog steeds niet eens over wat er gebeurde. Sommigen zeggen dat het leven begon in hete poelen bij vulkanen, anderen dat het werd aangezwengeld door meteorieten die in zee insloegen.

Zijn wij alleen in het heelal?

Misschien niet. Astronomen hebben het heelal afgestruind naar plaatsen waar waterwerelden leven zouden kunnen hebben voortgebracht, van Europa en Mars in ons zonnestelsel tot planeten vele lichtjaren ver weg. Radiotelescopen hebben de hemel afgeluisterd en in 1977 werd een signaal gehoord dat de kenmerken vertoonde van een buitenaardse boodschap. Astronomen kunnen nu de atmosfeer van buitenaardse werelden scannen op zuurstof en water. De komende decennia zullen een spannende tijd zijn om een alienjager te zijn, met alleen al in onze Melkweg tot 60 miljard potentieel bewoonbare planeten.

Wat maakt ons menselijk?

Een blik op je DNA zal het je niet vertellen – het menselijk genoom is voor 99 procent identiek aan dat van een chimpansee en, wat dat betreft, voor 50 procent aan dat van een banaan. Wij hebben echter wel grotere hersenen dan de meeste dieren – niet de grootste, maar wel drie keer zoveel neuronen als een gorilla (86 miljard om precies te zijn). Veel van de dingen waarvan we ooit dachten dat ze ons onderscheidden – taal, gebruik van gereedschap, jezelf herkennen in de spiegel – zien we bij andere dieren. Misschien is het onze cultuur – en het daaruit voortvloeiende effect op onze genen (en vice versa) – die het verschil maakt. Wetenschappers denken dat koken en onze beheersing van vuur ons aan grote hersenen hebben geholpen. Maar het is mogelijk dat ons vermogen tot samenwerking en het verhandelen van vaardigheden onze planeet echt tot een mensenplaneet maakt en niet tot een apenplaneet.

Wat is bewustzijn?

We weten het nog steeds niet echt zeker. We weten wel dat het te maken heeft met verschillende hersengebieden in plaats van een enkel deel van de hersenen. De gedachte is dat als we weten welke delen van de hersenen erbij betrokken zijn en hoe de neurale circuits werken, we zullen ontdekken hoe het bewustzijn ontstaat, iets waar kunstmatige intelligentie en pogingen om een brein neuron voor neuron op te bouwen ons bij kunnen helpen. De moeilijkere, meer filosofische vraag is waarom er überhaupt iets bewust zou moeten zijn.

Een goede suggestie is dat we door het integreren en verwerken van veel informatie, en door ons te concentreren en te blokkeren in plaats van te reageren op de zintuiglijke inputs die ons bombarderen, onderscheid kunnen maken tussen wat echt is en wat niet, en ons meerdere toekomstscenario’s kunnen voorstellen die ons helpen ons aan te passen en te overleven.

Waarom dromen we?

We brengen ongeveer een derde van ons leven slapend door. Als je bedenkt hoeveel tijd we daaraan besteden, zou je denken dat we er alles over weten. Maar wetenschappers zoeken nog steeds naar een volledige verklaring waarom we slapen en dromen. Aanhangers van Sigmund Freud’s visie geloofden dat dromen uitingen waren van onvervulde wensen – vaak seksueel – terwijl anderen zich afvragen of dromen iets anders zijn dan het willekeurig afgaan van een slapend brein.

Dierstudies en vooruitgang in hersenbeeldvorming hebben geleid tot een complexer begrip dat suggereert dat dromen een rol zouden kunnen spelen in geheugen, leren en emoties. Van ratten is bijvoorbeeld aangetoond dat ze hun wakkere ervaringen in dromen naspelen, wat hen blijkbaar helpt bij het oplossen van complexe taken zoals het navigeren door doolhoven.

Waarom is er spul?

Je zou hier eigenlijk niet moeten zijn. Het “spul” waar je van gemaakt bent is materie, dat antimaterie heet en alleen in elektrische lading verschilt. Wanneer ze elkaar ontmoeten, verdwijnen beide in een flits van energie. Onze beste theorieën suggereren dat de oerknal gelijke hoeveelheden van de twee creëerde, wat betekent dat alle materie sindsdien zijn antimaterie tegenhanger moet zijn tegengekomen, waardoor ze beide ten onder gaan en het universum wordt overspoeld met alleen maar energie. Het is duidelijk dat de natuur een subtiele voorkeur heeft voor materie, anders zou je niet bestaan. Onderzoekers zijn de gegevens van de Large Hadron Collider aan het uitpluizen en proberen te begrijpen waarom, waarbij supersymmetrie en neutrino’s de twee voornaamste kanshebbers zijn.

Zijn er andere universa?

Ons universum is een zeer onwaarschijnlijke plaats. Verander de instellingen zelfs maar een beetje en het leven zoals wij het kennen wordt onmogelijk. In een poging dit probleem van de “fijnafstemming” op te lossen, wenden natuurkundigen zich steeds vaker tot het idee van andere universa. Als er een oneindig aantal daarvan bestaat in een “multiversum”, dan zou elke combinatie van instellingen ergens worden uitgespeeld en natuurlijk kom je dan terecht in het universum waarin je kunt bestaan. Het klinkt misschien gek, maar bewijzen uit de kosmologie en de kwantumfysica wijzen in die richting.

Waar laten we al die koolstof?

De afgelopen paar honderd jaar hebben we de atmosfeer gevuld met kooldioxide – ontketend door fossiele brandstoffen te verbranden die ooit koolstof onder het aardoppervlak opsloten. Nu moeten we al die koolstof weer terugbrengen, of we riskeren de gevolgen van een opwarmend klimaat. Maar hoe doen we dat? Eén idee is om het te begraven in oude olie- en gasvelden. Een ander idee is om het weg te stoppen op de bodem van de zee. Maar we weten niet hoe lang het daar zal blijven, of wat de risico’s zouden kunnen zijn. Ondertussen moeten we de natuurlijke, langdurige opslagplaatsen van koolstof, zoals bossen en veengebieden, beschermen en energie gaan produceren op een manier die niet nog meer uitstoot.

Hoe krijgen we meer energie van de zon?

De slinkende voorraden fossiele brandstoffen betekenen dat we een nieuwe manier nodig hebben om onze planeet van energie te voorzien. Onze dichtstbijzijnde ster biedt meer dan één mogelijke oplossing. We gebruiken de energie van de zon al om zonne-energie te produceren. Een ander idee is om de energie in het zonlicht te gebruiken om water te splitsen in zijn bestanddelen: zuurstof en waterstof, wat een schone brandstof zou kunnen zijn voor auto’s van de toekomst. Wetenschappers werken ook aan een energieoplossing die afhankelijk is van het nabootsen van de processen die zich in de sterren zelf afspelen – zij bouwen een kernfusiemachine. De hoop is dat deze oplossingen in onze energiebehoeften kunnen voorzien.

Wat is er zo vreemd aan priemgetallen?

Het feit dat u veilig op internet kunt winkelen is te danken aan priemgetallen – die cijfers die alleen door zichzelf en één kunnen worden gedeeld. Public key-encryptie – de hartslag van de internethandel – maakt gebruik van priemgetallen om sleutels te maken waarmee uw gevoelige informatie kan worden afgeschermd van nieuwsgierige ogen. En toch, ondanks hun fundamenteel belang voor ons dagelijks leven, blijven de priemgetallen een raadsel. Een ogenschijnlijk patroon in de priemgetallen – de Riemann-hypothese – prikkelt al eeuwenlang de knapste koppen in de wiskunde. Tot nu toe is echter nog niemand erin geslaagd hun eigenaardigheid te temmen. Als we dat wel doen, zou het internet wel eens kapot kunnen gaan.

Hoe verslaan we bacteriën?

Antibiotica zijn een van de wonderen van de moderne geneeskunde. De Nobelprijswinnende ontdekking van Sir Alexander Fleming leidde tot geneesmiddelen die enkele van de dodelijkste ziekten bestreden en chirurgie, transplantaties en chemotherapie mogelijk maakten. Toch is deze erfenis in gevaar – in Europa sterven elk jaar ongeveer 25.000 mensen aan bacteriën die resistent zijn tegen meerdere geneesmiddelen. Onze geneesmiddelenpijplijn is al tientallen jaren aan het sputteren en we hebben het probleem erger gemaakt door te veel antibiotica voor te schrijven en deze verkeerd te gebruiken – naar schatting 80% van de antibiotica in de VS gaat naar het stimuleren van de groei van boerderijdieren. Gelukkig helpt de komst van DNA-sequencing ons antibiotica te ontdekken waarvan we niet wisten dat bacteriën ze konden produceren. Naast innovatieve, zij het ranzig klinkende methoden zoals het transplanteren van “goede” bacteriën uit uitwerpselen en de zoektocht naar nieuwe bacteriën diep in de oceanen, kunnen we nog steeds gelijke tred houden in deze wapenwedloop met organismen die 3 miljard jaar ouder zijn dan wij.

Kunnen computers steeds sneller worden?

Onze tablets en smartphones zijn minicomputers die meer rekenkracht bevatten dan de astronauten in 1969 naar de maan brachten. Maar als we de hoeveelheid rekenkracht die we in onze zakken meedragen willen blijven vergroten, hoe gaan we dat dan doen? Er zijn maar zoveel componenten die je op een computerchip kunt proppen. Is de grens bereikt, of is er een andere manier om een computer te maken? Wetenschappers denken aan nieuwe materialen, zoals atomair dun koolstof – grafeen – en aan nieuwe systemen, zoals quantumcomputing.

Zullen we kanker ooit kunnen genezen?

Het korte antwoord is nee. Kanker is niet één enkele ziekte, maar een losse groep van vele honderden ziekten. Kanker bestaat al sinds de dinosauriërs en omdat het wordt veroorzaakt door haperige genen, is het risico bij ons allemaal ingebakken. Hoe langer we leven, hoe groter de kans dat er iets misgaat, op allerlei manieren. Want kanker is een levend iets – voortdurend in ontwikkeling om te overleven.

Hoe ongelooflijk ingewikkeld ook, door genetica leren we steeds meer over de oorzaken, hoe het zich verspreidt en worden we steeds beter in het behandelen en voorkomen ervan. En weet dit: tot de helft van alle kankers – 3,7 miljoen per jaar – is te voorkomen; stop met roken, drink en eet matig, blijf actief en vermijd langdurige blootstelling aan de middagzon.

Wanneer kan ik een robot butler krijgen?

Robots kunnen nu al drankjes serveren en koffers dragen. Moderne robotica kan ons een “staf” van individueel gespecialiseerde robots bieden: zij maken uw Amazon-bestellingen klaar voor bezorging, melken uw koeien, sorteren uw e-mail en vervoeren u tussen luchthaventerminals. Maar voor een echt “intelligente” robot moeten we kunstmatige intelligentie kraken. De echte vraag is of je een robotbutler alleen in huis zou laten bij je oma. En nu Japan ernaar streeft om in 2025 ouderen te laten verzorgen door robothelpers, denken we daar hard over na.

Wat zit er op de bodem van de oceaan?

Vijfennegentig procent van de oceaan is nog niet verkend. Wat is daar beneden? In 1960 reisden Don Walsh en Jacques Piccard zeven mijl diep, naar het diepste deel van de oceaan, op zoek naar antwoorden. Hun reis verlegde de grenzen van het menselijk kunnen, maar leverde slechts een glimp op van het leven op de zeebodem. Het is zo moeilijk om de bodem van de oceaan te bereiken, dat we meestal onbemande voertuigen als verkenners moeten sturen.

De ontdekkingen die we tot nu toe hebben gedaan – van bizarre vissen zoals de barreleye, met zijn doorzichtige kop, tot een potentiële behandeling voor Alzheimer gemaakt door schaaldieren – zijn maar een fractie van de vreemde wereld die onder de golven verborgen ligt.

Wat zit er op de bodem van een zwart gat?

Het is een vraag waar we nog niet de instrumenten voor hebben om die te beantwoorden. De algemene relativiteit van Einstein zegt dat wanneer een zwart gat ontstaat door een stervende, instortende massieve ster, het verder ineenstort totdat het een oneindig klein, oneindig dicht punt vormt dat een singulariteit wordt genoemd.

Maar op dergelijke schalen heeft de kwantumfysica waarschijnlijk ook iets te zeggen. Alleen zijn de algemene relativiteit en de kwantumfysica nooit de gelukkigste bedgenoten geweest – zij hebben decennia lang alle pogingen om ze te verenigen weerstaan. Maar een recent idee – M-theorie genaamd – zou op een dag het onzichtbare centrum van een van de meest extreme creaties van het universum kunnen verklaren.

Kunnen we eeuwig leven?

We leven in een verbazingwekkende tijd: we beginnen “veroudering” niet te zien als een feit van het leven, maar als een ziekte die kan worden behandeld en mogelijk voorkomen, of op zijn minst voor een zeer lange tijd kan worden uitgesteld. Onze kennis van de oorzaken van veroudering – en van wat sommige dieren in staat stelt langer te leven dan andere – breidt zich snel uit.

En hoewel we nog niet alle details hebben uitgewerkt, vullen de aanwijzingen die we verzamelen over DNA-beschadiging, de balans van veroudering, metabolisme en reproductieve fitheid, plus de genen die dit reguleren, een groter plaatje in, wat mogelijk leidt tot behandelingen met geneesmiddelen.

Maar de echte vraag is niet hoe we langer gaan leven, maar hoe we langer goed gaan leven. En aangezien veel ziekten, zoals diabetes en kanker, ouderdomsziekten zijn, zou het behandelen van veroudering zelf de sleutel kunnen zijn.

Hoe lossen we het bevolkingsprobleem op?

Het aantal mensen op onze planeet is sinds de jaren zestig verdubbeld tot meer dan 7 miljard en verwacht wordt dat we in 2050 met ten minste 9 miljard zullen zijn. Waar gaan we allemaal wonen en hoe gaan we genoeg voedsel en brandstof maken voor onze steeds groter wordende bevolking? Misschien kunnen we iedereen naar Mars verschepen of beginnen met het bouwen van ondergrondse appartementsblokken. We kunnen zelfs beginnen onszelf te voeden met lab-gekweekt vlees. Dit klinkt misschien als sciencefiction-oplossingen, maar we moeten ze misschien serieuzer gaan nemen.

Is tijdreizen mogelijk?

Tijdreizigers lopen al onder ons rond. Dankzij Einsteins speciale relativiteitstheorie ervaren astronauten in een baan om het internationale ruimtestation dat de tijd langzamer tikt. Met die snelheid is het effect minuscuul, maar verhoog de snelheid en het effect betekent dat mensen op een dag duizenden jaren in de toekomst kunnen reizen. De natuur lijkt er minder op gesteld te zijn dat mensen de andere kant op gaan en terugkeren naar het verleden, maar sommige natuurkundigen hebben een uitgebreide blauwdruk gemaakt van een manier om dat te doen met wormgaten en ruimteschepen. Het zou zelfs kunnen worden gebruikt om jezelf een cadeautje te geven op eerste kerstdag, of om antwoord te geven op een aantal van de vele vragen die rond de grote onbekenden van het universum spelen.

“The Big Questions in Science: The Quest to Solve the Great Unknowns,” wordt uitgegeven door Andre Deutsch.