Boeken

Friday, June 21, 2013

De toekomst van de natuurkunde

Welke natuurkundige vraagstukken zijn de laatste jaren opgelost? Wat zijn de grote vragen waarop we in het komende decennium een antwoord kunnen verwachten? UvA-hoogleraren Stan Bentvelsen, Erik Verlinde en Ralph Wijers treden in debat.

Dit artikel is gepubliceerd in SPUI UvA Alumni Magazine 01/2013 (21 juni 2013 - klik op de link om het papieren nummer van SPUI in digitale vorm door te bladeren)


Prof. dr. Stan Bentvelsen is hoogleraar Large Hadron Collider Physics aan de UvA en directeur van het Instituut voor Hoge Energie Fysica.

Prof. dr. Erik Verlinde is hoogleraar theoretische fysica aan de UvA. In 2011 won hij de NWO Spinozapremie, de hoogste Nederlandse wetenschappelijke onderscheiding.

Prof. dr. Ralph Wijers is hoogleraar hoge-energie astrofysica aan de UvA en directeur van het Sterrenkundig Instituut Anton Pannekoek. 

----------------------------------------------------------------------------

Bennie Mols: Laten we, voordat we over de toekomst van de natuurkunde gaan praten, eerst eens de vinger aan de pols nemen van de huidige natuurkunde. Laten we als vergelijking de natuurkunde van honderd jaar geleden nemen, 1913 dus. Dat was het jaar waarin Niels Bohr zijn kwantummechanische atoommodel presenteerde. Einstein had in 1905 met zijn speciale relativiteitstheorie de klassieke mechanica van Newton op zijn kop gezet. En dat terwijl natuurkundigen aan het eind van de 19e eeuw nog dachten dat hun vak bijna af was.

Hoe staat de natuurkunde er nu voor vergeleken met die tijd?

Stan Bentvelsen: “We hebben nu zo’n totaal ander denkkader. We hebben een goed werkend Standaardmodel voor drie van de vier fundamentele natuurkrachten en voor een hele familie aan elementaire deeltjes die toen nog onbekend was.”

Erik Verlinde: “Ik heb het gevoel dat de situatie van nu vergelijkbaar is met die van eind 19e eeuw. We lijken veel te begrijpen, maar er liggen nog steeds veel open vragen. Ik denk dat we net zulke conceptuele doorbraken nodig hebben om die vragen op te lossen als de doorbraken die begin 20e eeuw nodig waren. Er is een tijd geweest, vooral in de jaren negentig, dat de theorie van het hele kleine ver vooruitliep op het experiment. Dat waren de beginjaren van de snaartheorie. Maar met de experimenten van CERN’s Large Hadron Collider (LHC) heeft het experiment de theorie weer ingehaald. We krijgen nu een explosie van experimentele data die nieuwe theorieën gaan voeden.”

Ralph Wijers: “In de sterrenkunde is het verschil tussen 1913 en 2013 nog veel groter dan in de natuurkunde. Een verschil van dag en nacht. In 1913 leefden we in een eeuwig en onveranderlijk heelal. Nu weten we dat het heelal uitdijt en een begin heeft gehad. We weten zelfs vrij precies dat het 13,7 miljard jaar oud is en evenzovele lichtjaren groot. Het inzicht dat we de natuurkunde van het aardse kunnen gebruiken om het heelal te begrijpen, begon pas goed na 1913. Nu zitten we in een situatie waarin we nieuwe natuurkunde kunnen ontdekken door naar het heelal te kijken. Natuurkunde en sterrenkunde zijn vervlochten geraakt.”

Bentvelsen: “In de afgelopen vijftien jaar is de kosmologie een hele kwantitatieve wetenschap geworden. Daardoor kunnen we een uitspraak doen als dat slechts zo’n 5% van de inhoud van het heelal bestaat uit gewone materie zoals we die op aarde kennen, en dat zo’n 25% gek materiespul is dat we ‘donkere materie noemen’. De overige 70% is een gek soort energie die we ‘donkere energie’ noemen.”

Er wordt wel gezegd dat al het laag hangende fruit in de natuurkunde al is geplukt. In hoeverre klopt dat?

Wijers: “De ontdekking van grafeen in 2004 [een koolstoflaagje van één atoom dik met bijzondere materiaaleigenschappen (red.)] is een mooie uitzondering. Dat werd gevonden door met een plakbandje stukjes koolstof af te schrapen van een potloodpunt. Toch wordt het aantal plekken waar nog zo’n groot gat in onze kennis zit dat we het snel kunnen opvullen steeds kleiner. We zien steeds vaker dat we om iets nieuws te vinden eerst miljoenen moeten investeren in apparatuur: een deeltjesversneller of een telescoop.”

Verlinde: “Ik denk dat enkele individuen nog steeds met radicaal nieuwe ideeën kunnen komen. Zeker als het gaat om de natuurkunde van materialen, denk ik dat keukentafelexperimenten nog steeds nieuwe ontdekkingen kunnen opleveren. In die zin is grafeen geen uitzondering.”

Wijers: “Tegenwoordig gaat het om een combinatie van het beste brein met het beste apparaat. Alleen een van die twee is meestal niet meer genoeg.”




Wat zijn voor jullie de belangrijkste doorbraken van de afgelopen tien tot vijftien jaar?

Bentvelsen: “Voor mij ongetwijfeld de ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012. Het kwam niet geheel onverwacht, maar ik vind het prachtig hoe we iets wat decennia geleden is bedacht nu ook experimenteel terugvinden.”

Verlinde: “Voor mij ook zeker het Higgsdeeltje. Maar daarnaast ook nog de ontdekking dat het heelal versneld uitdijt. Dat is waar we de naam ‘donkere energie’ op hebben geplakt zonder te weten wat dat is. Verder moeten we niet vergeten dat er behalve een natuurkunde van het hele kleine en het hele grote er ook nog veel natuurkunde is op schalen daartussenin. We kunnen kwantummechanische systemen steeds groter maken. Mede daardoor hebben ze in Delft vorig jaar het Majoranadeeltje kunnen ontdekken. En ook de ontdekking van hele gekke materialen is een doorbraak die we ook niet moeten vergeten. Metamaterialen kunnen allerlei trucs met licht uithalen die we lang voor onmogelijk hielden. En er blijkt allerlei materie te zijn die noch vast, vloeistof of gas is.”

Wijers: “Ik ben het eens met Stan en Erik. Maar ik wil er nog een doorbraak aan toevoegen: de ontdekking van exoplaneten, planeten die om een andere ster dan onze zon draaien. Dat is weliswaar geen fundamentele natuurkunde, maar raakt wel aan een aloude, fundamentele vraag: Zijn wij alleen in het heelal of is er ergens anders ook nog een planeet met leven?”

Laten we nu dan naar de toekomst van de natuurkunde kijken. Op welke vragen kunnen we in de komende tien tot twintig jaar een antwoord verwachten?

Bentvelsen: “Ik hoop en denk dat we het deeltje gaan vinden dat verantwoordelijk is voor wat we nu donkere materie noemen. Daarbij gebruiken we drie tactieken. We proberen donkere materie in de LHC te maken. We proberen donkere materie in speciale detectoren op aarde te meten. En tenslotte proberen we met satellieten te speuren naar signalen van donkere materie die uit de ruimte komen.

Verder hoop ik op een verklaring voor de grote vraag waarom we om ons heen zo veel meer gewone materie zien dan antimaterie. Terwijl er bij de oerknal evenveel materie als antimaterie moet zijn gecreëerd. De LHC heeft al kleine verschillen laten zien, maar nog lang niet genoeg om dat raadsel op te lossen. De LHC kan zeker nog tot 2025 draaien en ik denk dat we pas in 2030 het hele potentieel van de versneller hebben benut.

Ik denk ook dat we zwaartekrachtgolven kunnen ontdekken, golven in de structuur van de ruimtetijd zelf...”

Wijers: “We hebben indirecte aanwijzingen dat zwaartekrachtgolven moeten bestaan. En als de nu geplande verbeteringen van bestaande detectoren succesvol worden uitgevoerd dan moet er wel iets heel bizars aan de hand zijn wanneer we ze niet vinden.”

Verlinde: “Wat mij betreft wordt de zoektocht naar donkere materie de belangrijkste in de komende tien jaar. Het lijkt misschien of we met het Standaardmodel bijna klaar zijn, maar ik zie allerlei aanwijzingen dat we een conceptueel nieuwe theorie nodig gaan hebben. Vooral om verschijnselen op hele grote schalen te begrijpen: Wat is het effect van donkere materie op melkwegstelsels? Wat bepaalt de verhouding tussen donkere materie en gewone materie? Is de oerknal echt het begin van alles? Ik denk dat we daar een heel ander beeld van gaan krijgen.

Zelf ontwikkel ik een nieuwe theorie van de zwaartekracht. Daarin is zwaartekracht een emergent fenomeen dat ontstaat uit de onderliggende statistische eigenschappen van massa, ruimte en tijd. Ik ben bezig om dat nieuwe idee te toetsen aan de experimentele gegevens over donkere materie.”

Wijers: “Ook ik denk dat we in de komende tien jaar de aard van donkere materie gaan vinden. Ik denk verder dat we gaan bepalen hoeveel van alle exoplaneten aardachtige eigenschappen hebben en wat de kans is dat er daar leven is. Ten slotte denk ik aan een existentiële vraag: Waarom is het heelal gevuld met iets dat rijk is aan structuren in plaats van gewoon glad en saai?”




Dan zou je je ook wel kunnen afvragen dat het raar is dat er überhaupt iets is, en niet niets....

Wijers: “Ja, ja, de meest natuurlijke uitkomst is dat er niets is.”

Verlinde: “Die vraag is voor mij een voorbeeld van een vraag die we nooit kunnen beantwoorden. Logisch gezien had er ook niets kunnen zijn.”

Wijers: “Mensen willen altijd weten waarom dingen zo zijn. Die vraag grenst aan metafysica. Soms is er geen waarom. Het is gewoon zo, en wij proberen dat te beschrijven.”

Bentvelsen: “Ik vind dat juist een motivatie om verder te zoeken.”

Verlinde: “De uitdaging is om iedere waarom-vraag om te toveren in een hoe-vraag...Het feit dat er iets is, verander je niet zomaar. Ik denk dat we juist van het vroege heelal een heel ander beeld gaan krijgen. Ik zie gewoon niet in hoe alles wat we nu in het heelal zien, kan zijn ontstaan uit iets wat dat niet had. Dat gaat in tegen de behoudswetten waarvan we juist zien dat ze de natuur heel goed beschrijven.”

Wijers: “Ik geef Erik groot gelijk. Er zit iets heel onbevredigends aan dat ‘poef’: eerst was er niets, en ineens is er een heelal. Als je heel strikt kijkt, dan mag je ook niet vragen wat er voor de oerknal was, want toen was er geen tijd. Dat ruikt naar losse eindjes in ons begrip.”

Verlinde: “Vergelijk de situatie met de stap die Bohr honderd jaar geleden zette met zijn atoommodel. Zonder de kwantummechanica zouden de elektronen die om de atoomkern heen draaien langzaam naar binnen slingeren. De kwantummechanica was de radicaal nieuwe stap die verklaart waarom dat niet gebeurt. Analoog daaraan denk ik dat het onderscheid tussen materie en ruimtetijd gaat verdwijnen.”

Bentvelsen: “Ik vind het mooi om te zien dat onze experimentele resultaten richting geven aan de theoretische natuurkunde. Maar uiteindelijk moeten we het wel hebben over de natuur zoals we deze observeren. Dat is het keurslijf waar we binnen moeten blijven.”


Kunnen we straks alles verklaren of lopen we tegen grenzen aan?

Verlinde: “Toen ik begon in de natuurkunde, geloofden veel fysici nog in een Theorie van Alles. Als we die zouden hebben, dan zouden we alles kunnen uitrekenen. Daar zijn de meesten op teruggekomen. Ik heb het idee dat we nooit echt alles zullen weten. We zijn goed in beschrijven, maar dat is iets anders dan verklaren. Ik denk dat er een limiet is aan de mate van complexiteit die we kunnen beschrijven. Niemand kan bijvoorbeeld alle moleculen in deze ruimte beschrijven.”

Wijers: “Maar ik weet niet of er een fundamentele limiet is. Sommige dingen kunnen we misschien niet of nog niet begrijpen omdat ze te ingewikkeld zijn, maar dat wil niet zeggen dat ze ten principale buiten schot zullen blijven.”

Bentvelsen: “Daar sluit ik me helemaal bij aan. Toch geloof ik niet dat er ooit een dag komt waarop we kunnen zeggen: nu zijn we helemaal klaar.”

Wijers: “Ik word juist gemotiveerd door het idee dat er niets is wat we ten principale niet kunnen begrijpen. Ik geloof dat we de grenzen van onze kennis steeds kunnen blijven verleggen.”

Bentvelsen: “Een bekend natuurkundige zei een keer tegen mij: ‘Ach, dat Higgs-deeltje. Hebben we weer een nieuw deeltje. Waarom hou je er niet een keer mee op?’ Nou, dat past zo totaal niet in mijn wereldbeeld...”

Stel dat we alle natuurwetten hebben gevonden, kunnen we dan de toekomst helemaal voorspellen?

Wijers: “Nee, ik denk dat de natuur daarvoor veel te veel vrijheidsgraden heeft. Chaostheorie laat zien dat sommige fenomenen zo gevoelig zijn voor een iets andere beginvoorwaarde, dat de uitkomst al snel heel anders en onvoorspelbaar wordt. Hoe sterk ik ook geloof in ons vermogen om de natuur te beschrijven, ik geloof niet in predestinatie; of dat mensen geen keuze zouden hebben.”

Verlinde: “De enige manier om de volledige toekomst van alles in het heelal te kennen, is om het heelal te laten doen wat het doet. Ik denk dat het heelal dat al op een hele slimme manier doet en dat wij als mensen geen slimmere manier gaan bedenken. Mijn poes begrijpt geen kwantummechanica. En hoewel de mens slimmer is dan een poes, denk ik dat we ook weer niet zó intelligent zijn dat we alles kunnen begrijpen...Aan de andere kant: we kunnen veel voorspellen zonder dat we alle details hoeven te kennen. Ik ben er van overtuigd dat we als mensen altijd weer nieuwe ideeën over de natuur kunnen verzinnen. We zijn nog lang niet aan het einde van de natuurkunde. Sterker nog, misschien staan we wel aan de vooravond van een nieuwe revolutie.”

Wijers: “Een wereld waarin geen vragen meer zijn, is voor mij een hele saaie wereld. Ik zou depressief worden als er op een ochtend een briefje op mijn bureau ligt waarop alle antwoorden staan geschreven. Dat is alsof je de krant open slaat om een cryptogram op te lossen, maar hij blijkt al ingevuld. Dan bel je toch boos de hoofdredacteur.”


[Begrippenkader:]

Donkere energie: Sterrenkundige waarnemingen laten zien dat het heelal versneld uitdijt. Dat wijst op het bestaan van een soort afstotende kracht die de zwaartekracht tegenwerkt. Omdat sterrenkundigen geen flauw idee hebben van de oorsprong van die kracht, hebben ze er de naam ‘donkere energie’ aan gegeven. Liefst 75% van de energie-inhoud van het heelal zou ‘donkere energie’ zijn.

Donkere materie: Zo’n 25% van de inhoud van het heelal lijkt te bestaan uit spul dat wel onderhevig is aan de zwaartekracht, maar toch heel anders van aard is dan de gewone materie.

Higgsdeeltje: Het Higgsdeeltje is een deeltje dat nodig is om te verklaren waarom andere deeltjes massa hebben. Het is begin jaren ’60 voorspeld en in 2012 voor het eerst waargenomen in de grote LHC-deeltjesversneller van CERN in Genève.

Ruimtetijd: Volgens Einsteins speciale relativiteitstheorie uit 1905 zijn ruimte en tijd één concept: de ruimtetijd. Zwaartekracht bleek ineens een eigenschap van de ruimtetijd zelf te zijn. Elke massa verandert de vorm van de ruimtetijd (zoals een zware bal een trampolinezeil indeukt) en beïnvloedt zo de beweging van een andere massa.

Snaartheorie: Volgens de snaartheorie zijn puntdeeltjes zoals quarks en elektronen eigenlijk minuscule, eendimensionale trillende snaartjes. Snaartheorie verenigt de natuurkunde van het hele kleine (de kwantummechanica) met de natuurkunde van het hele grote (de zwaartekracht).

Standaardmodel: Momenteel de beste beschrijving van drie fundamentele krachten (elektromagnetische kracht, zwakke kernkracht en sterke kernkracht) en drie families van elementaire deeltjes in de natuur. De vierde fundamentele natuurkracht, de zwaartekracht, wordt niet verklaard binnen het Standaardmodel.

[CV’s]

Prof. dr. Stan Bentvelsen (1965)

1989 Afgestudeerd in de theoretische natuurkunde aan de UvA.

1994 Promotie in de experimentele hoge energie fysica aan de UvA.

1994-2000 Fellow en vervolgens stafmedewerker bij CERN in Genève.

2000-2005 Senior onderzoeker bij FOM - Nikhef. Voorbereiding voor het Atlas-experiment bij de LHC.

2005-2013 Programmaleider van de Nederlandse bijdragen aan het Atlas-experiment bij CERN

Sinds 2005 Hoogleraar Large Hadron Collider Physics aan de UvA en directeur van het Instituut voor Hoge Energie Fysica.

2013 Ontvangt samen met prof. dr. Frank Linde de Physicaprijs 2013 voor hun bijdragen aan de ontdekking van het Higgsdeeltje met het Atlas-experiment op CERN.


Prof. dr. Erik Verlinde (1962)
1985 Afgestudeerd in de theoretische natuurkunde aan de Universiteit Utrecht.

1988 Promotie in de theoretische natuurkunde aan de Universiteit Utrecht.

1988-1993 Werkzaam aan het Institute for Advanced Study in Princeton (VS).

1993 Toetreding tot de permanente staf van CERN.

1996 Hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit Utrecht.

1999 Hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Princeton University.

Sinds 2003 Hoogleraar theoretische natuurkunde aan de UvA.

2011 Ontvangt de NWO Spinozapremie, de hoogste Nederlandse wetenschappelijke onderscheiding.



Prof. dr. Ralph Wijers (1964)
1987 Afgestudeerd in de sterrenkunde aan de Universiteit Leiden

1991 Gepromoveerd in de sterrenkunde aan de Universiteit van Amsterdam

1991-1994 Compton Fellow aan het Princeton University Observatory (VS)

1994-1998 PPARC en Royal Society Fellow aan het Institute of Astronomy in Cambridge (GB)

1998-2002 Assistent professor, Stonybrook University (VS)

Sinds 2002 Hoogleraar hoge-energie astrofysica aan de UvA.

Sinds 2011 Directeur van het Sterrenkundig Instituut Anton Pannekoek van de UvA

EU Descartes prijs (2002), NWO Vici-laureaat (2003), ERC Advanced Investigatior Grant (2010)