Wat is informatica?

Voor de meeste mensen is informatica "iets met computers". Maar zoals de Nederlandse informaticus Edsger Dijkstra ooit zei: "Informatica gaat net zo min over computers als sterrenkunde over telescopen".

Wat is informatica dan wel?

Informatica is de wetenschap van de informatieprocessen. Of het nu gaat om administratieve, organisatorische, sociale of zelfs natuurkundige of biologische processen, informatici kunnen ze modelleren als informatieprocessen. Informatica is een uniek samenspel tussen wetenschap en ingenieurskunde, tussen wetenschappelijke ontdekkingen en het instrumentarium dat het vakgebied ontwikkelt. Zo heeft de ontwikkeling van het internet geheel nieuwe fundamentele vragen binnen de informatica opgeroepen.

We kunnen de informatica zien als een wetenschap die uit een drietrapsraket bestaat. De eerste trap is de ontwikkeling van de wetenschappelijke theorie. Op dit niveau proberen informatici antwoorden te vinden op fundamentele vragen als: Wat is informatie? Wat is berekenbaar? Wat is intelligentie? Zijn er algemene informatiewetten? Zijn er algemene kaders om het effect van programma’s te beschrijven en te meten? Kunnen we manieren vinden om problemen op te lossen die zelfs de snelste computers van nu nog niet aankunnen?

Modellering is de tweede trap in de methodologie van de informatica. Bij modellering spelen algoritmen een cruciale rol. Algoritmen zijn de rekenrecepten voor de computer. Het ontwikkelen van effiënte algoritmen is een van de grootste uitdagingen voor informatici. Een efficiënt algoritme lost een computationeel probleem in een realistische tijd op, met een realistisch gebruik van computergeheugen, processorsnelheid en elektrische energie.

In alledaagse toepassingen kunnen algoritmen echter pas succesvol zijn wanneer ze ingebed worden in een gebruiksvriendelijk ontwerp. Ontwerp is daarom de derde trap in de informaticamethodologie. Deze trap leidt meteen weer tot nieuwe vragen voor de theorie, bijvoorbeeld: Hoe kunnen we complexe systemen simpel bouwen? Hoe kunnen we garanderen dat ze foutloos en veilig zijn? Hoe kunnen we ze onderhouden? Voor deze derde trap is het belangrijk om de interactie tussen mens en machine te begrijpen. Informatica raakt hier aan psychologie.

De 0,21 vrouwen van Zomergast Wouter Bos

'Hállo zeg: er zaten welgeteld 0,21 vrouwen in de Zomergastenaflevering met Wouter Bos', zo luidt de kop boven een Volkskrant opinie-artikel van Jacq.Veldman.

“En ik heb dit uitgerekend op mijn rekenmachine”, staat er ook nog bij. Gelukkig. Dat stelt gerust.

Ik bleef alleen met een vraag zitten...‘0,21 vrouwen?’ Wat betekent dat in hemelsnaam?

Dat er 0,21 % van de tijd een vrouw in beeld is geweest?
Dat er 21% van de tijd een vrouw in beeld is geweest?
Dat er 0,21% van de tijd een vrouw aan het woord is geweest?
Dat er 21% van de tijd een vrouw aan het woord is geweest?
Dat er in 21% van de fragmenten een vrouw in beeld is geweest?
Dat er in 0,21% van de fragmenten een vrouw in beeld is geweest?
Dat er in 21% van de fragmenten een vrouw aan het woord is geweest?
Dat er in 0,21% van de fragmenten een vrouw aan het woord is geweest?

En de mogelijkheden zijn nog lang niet uitgeput…

Is de verhouding tussen het aantal vrouwen dat in beeld is geweest en het aantal mannen misschien 0,21?

Is er misschien alleen maar 0,21e deel van een enkele vrouw in beeld geweest?

...enzovoort...

Tellen is vaak nuttig, maar geef dan wel aan wat je telt.

En als duidelijk is wat er is geteld, dan is de volgende - en belangrijkste vraag: wat zegt dat getal in hemelsnaam? Niet alles wat je kunt tellen telt, en niet alles wat telt kun je tellen.

Maar er gloort hoop:

Een dag na het onthullende nieuws dat er “welgeteld 0,21 vrouwen in de Zomergastenaflevering met Wouter Bos” zaten, heeft het Californische start-up-bedrijf BrainPolice 0.21 bekend gemaakt dat het nog dit najaar op de markt komt met de Jacq. Veldman-headset. Persvoorlichter Winston Smith van BrainPolice 0.21: “De headset meet instantaan de verhouding tussen de tijd die het brein van een Zomergast aan een vrouw besteedt en de tijd die hetzelfde brein aan een man besteedt. Die verhouding noemen we uiteraard de Jacq. Veldman-verhouding. De Jack.Veldman-headset bepaalt die verhouding met een nauwkeurigheid van 0,21%”.

In het voorjaar van 2014 levert BrainPolice 0.21 een revolutionaire uitbreiding van de Jacq. Veldman-headset. Winston Smith: “Een aangekoppelde Transcraniële Magnetische Stimulatie-module zal dan in staat zijn om de gedachten van een Zomergast instantaan te corrigeren: wanneer de Jacq. Veldman-verhouding meer dan 0,21% afwijkt van het magische getal 0,5 dan wordt het brein van de Zomergast dankzij de magnetische stimulatie meteen gecorrigeerd. Wij garanderen dat alle Zomergasten evenveel aandacht voor vrouwen als voor mannen hebben, in ieder geval in hun eigen brein en in het kiezen van de filmfragmenten. Zowel onze headset als onze TMS-module gebruikt natuurlijk het sublieme Jacq. Veldman-algoritme, uitgerekend op haar rekenmachine. Verbeter de wereld, koop de Jacq.Veldman-headset.”

Redeneren met de Franse slag

Deze boekrecensie is gepubliceerd in technologietijdschrift De Ingenieur van 12 juli 2013

Al decennialang gehoorzamen computers de wet van Moore. Deze komt er op neer dat ruwweg elke twee jaar het aantal rekenoperaties per seconde verdubbelt. Trek de wet van Moore door, en rond 2045 evenaart een thuiscomputer het menselijk brein. Bovendien kan tegen die tijd de software net zo adequaat nieuwe kennis en vaardigheden leren als het menselijk brein. Combineer deze hardware- en softwareontwikkelingen, en de computers en robots van 2045 lachen zich een breuk om die domme mensen die aan de wieg van hun elektronische voorouders hebben gestaan en die hun zelflerende software hebben geschreven.

Maar oeps, gaan die slimme machines ons dan als slaven gebruiken?

Om dat te voorkomen moeten we nu al nadenken over rechten en plichten voor robots. Dat betoogt auteur Henny van der Pluijm in zijn boek Rechten en plichten voor robots. Het boek herkauwt dezelfde argumenten die futurist Ray Kurzweil in het overigens veel beter geschreven boek The Singularity is Near (2005) gebruikt, en vult die aan met voorbeelden die de noodzaak van rechten en plichten voor intelligente machines moeten illustreren.

Een medicijn-halende robot wordt overvallen door hangjongeren. Een intelligente machine-adviseur wordt door de Raad van Bestuur van een multinational ingehuurd, maar legt genadeloos het disfunctioneren van diezelfde raad bloot. Altijd weer vermakelijk, zulke voorbeelden, maar ook te veel science-fiction. Al decennia horen we dat robots ons nu toch echt komen verlossen van al die vervelende rotklussen in huis, maar zelfs de stofzuigerrobot wacht nog steeds op een promotie van gadget tot massaproduct.

Dan de argumenten. Die komen met de Franse slag. Zelfs als de wet van Moore nog decennialang geldig blijft (wat nu al dubieus is), dan zegt dit weinig over wat een computer met die rekensnelheid doet. Menselijke intelligentie is zeker niet equivalent aan, of zelfs maar evenredig met, het aantal rekenoperaties per seconde. Er is geen wet van Moore voor software, noch een wet van Moore voor het begrip van ons brein.

De Franse slag wordt nog groter in het argument van het leervermogen van machines. Niemand weet nog hoe we machines een algemeen lerend vermogen kunnen geven vergelijkbaar met dat van het menselijk brein. Het moment van de waarheid in de informatica is een werkend computerprogramma en de rest is profetie. In theorie kan een robot volledig inburgeren in het menselijke leven, net zoals in theorie de wereldvrede morgen kan aanbreken.

In tegenstelling tot de beeldvorming in de massamedia, worden Ray Kurzweil en zijn Hollywood-gegoochel met de Wet van Moore onder wetenschappers in de kunstmatige intelligentie totaal niet serieus genomen. Zoals MIT-roboticus Nicholas Roy in 2011 in dit blad over Kurzweil zei: “Niemand heeft ooit iets zinvols over de toekomst gezegd, behalve dan om de verkoop van een boek omhoog te stuwen.” Jammer dat al die profetie over machines die mensen overvleugelen en rechten en plichten zouden moeten krijgen, de aandacht afleidt van de praktijk van vandaag en morgen: een samenwerking tussen menselijke en machine-intelligentie. Hoe combineren we het beste van beide typen intelligentie? Dat is de echt belangrijke vraag.

O ja, ik heb ’s werelds slimste chatbot, Ramona 4.1 van Ray Kurzweil, gevraagd of zij wil dat wij mensen haar rechten en plichten toekennen. Ramona antwoordde letterlijk: “Ik ben er niet zo zeker van dat ik zou willen te willen dat wij jou rechten en plichten toekennen.”

Boekinformatie:

Henny van der Pluijm: Rechten en plichten voor robots. PC Active. 251 blz. € 23,90
http://rechtenenplichtenvoorrobots.nl

Bekijk hier mijn lezing 'Kunstmatige intelligentie: Feit versus Fictie'

Klik op de afbeelding hieronder voor het bekijken van de video-opname van mijn VINT-Lezing: Kunstmatige intelligentie: Feit versus Fictie

American-Dutch partnership on cyber security

For three days in May, a delegation from the US Department of Homeland Security (DHS) Science and Technology Directorate visited the Netherlands to discuss collaboration in the field of cyber-security research. DHS Cyber Security Division Director Douglas Maughan tells about the results of the visit and his ideas for improving cyber security.

The interview took place before the PRISM-program was revealed.

This article is published in I/O Magazine, June 2013

What are the most important challenges for the US when it comes to cyber security?

‘On the top of our list is the area of education. We need a new generation of cyber-security defenders. In the US, fewer and fewer students are going into science and technology, yet the job market in cyber security continues to expand. In order to get kids interested in the field, we have organised a national cyber-defence competition at the collegiate level. In total, 1500 kids took part in a competition in which they had to defend a computer network. In the last few days we have been talking about this with our Dutch partners to see whether we can help them in setting up something like this in the Netherlands. Companies can help to fund such a competition, and they can find their next generation of employees among the kids that take part.’

In terms of challenges, I guess I was thinking more about cyber crime and cyber warfare...

‘Sure, cyber crime is a big concern. Criminals tend to have the latest technologies and law enforcement often lags a bit behind, so of course we are fighting to catch up.

Another big challenge is how to share information between the public and private sectors. In the US, the private sector owns 85 to 90% of the critical infrastructure such as power grids, water supplies and telecommunication. We at the government often have information about cyber threats that we need to share with the private sector in order to defend those critical infrastructures. The threats we are facing are basically the same threats that the Netherlands is facing, so there you can already see the importance of working together.’

I was surprised to learn that a country as huge as the US would want to collaborate with a country as small as the Netherlands in the field of cyber security.

‘I wouldn’t put it like that. In the world of cyberspace you can’t solve problems alone. We try to work with anybody who has good ideas. We also have partnerships with countries like the UK, France and Sweden. I have been in the cyber-security research community for 25 years now, and I think the Dutch academic community in this field is extremely strong. The Dutch have a very strong background in computer systems. And in cyber forensics the Dutch are ahead of most others – if not all others – in the world. We view the US-Dutch collaboration as extremely important, and I believe we are going to have a fruitful partnership.’

What do you expect of the partnership?

‘Our goal at the DHS is to get cyber-security technologies researched, developed and commercialised, so we are more focused on applied than on basic research. We fund projects that have a possibility of being commercialised. We know that we will fund some research at the Dutch Forensics Institute (NFI). Furthermore, we have talked in the last two days with the Dutch National Cyber Security Centre as well as NWO about some other concrete projects, but we haven’t finalised those talks yet. We are also discussing the possibility of calls for collaborative research: respondents would have to show a research proposal with both a US and a Dutch component.’

Can you tell a bit more about some of the research areas that will be involved in the partnership?

‘One common theme for both the US and the Netherlands is setting up Incident Response Teams. How do you put together a team that has to act in case of some cyber emergency? What are the types of skills that members of such a team would need? This is not a technical problem, but rather a social-science problem. Cyber security is not only a technical field. Sometimes it’s more about humans than people realise. Furthermore, there is an economics question: what causes companies to invest or not to invest in new cyber-security technology? And what are the incentives for criminals? From the side of law enforcement, there is the key question of how to extract information for legal prosecution from the data owned by cyber criminals. These are the themes that we have agreed on so far. We are still discussing collaboration in the field of control systems for vital infrastructures and in the field of electronic identity. Which technologies can we develop to make digital identities more secure?’

Will the research done within the partnership be open or classified?

‘It will be open, like almost all of the DHS research programmes. Only some of the research that the DHS does with the law-enforcement community is classified.’

Apart from technical issues, isn’t raising public awareness another important aspect of cyber security? Many ordinary computer and Internet users have no idea about their vulnerabilities.

‘Sure. That’s the reason that the US has started the national campaign “Stop. Think. Connect.” This campaign is aimed at increasing the public’s understanding on issues like identity theft, fraud and phishing, cyber bullying and cyber predators: people who search online for other people in order to use, control or harm them in some way.’

What can realistically be achieved in cyber security in the near future?

‘First of all, we can make improvements in the security of the Internet infrastructure. Domain Name System security is one such improvement. It means that when you visit a website, you can be sure that it is really the website you intended to visit and not a fake website that looks similar. The same goes for data integrity. If you go to google.com and you get data, it should be automatically guaranteed that the data have not been changed underway. Second, since so much of Internet use takes place nowadays via mobile devices, we have to stay ahead in the mobile world, which is a very different one from the traditional desktop world. Third, the next generation of hardware and software systems needs to have built-in security. Internet users should not have to worry about security. The Internet should be like water or air.’

I am sure that you know the TV-series ‘Person of Interest’. How realistic is it according to you?

‘Hollywood is always interesting when it’s doing cyber security. Some of such series have been predictive. However, I think that ‘Person of Interest’ causes more anxiety than that it raises awareness. Hollywood is Hollywood. Sometimes they are ahead of the game, and sometimes they are not.’

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

NWO research projects on cyber security

In April 2013, nine Dutch cyber-security research projects received a total of EUR 3.2 million in funding from the Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO) in connection with the first call for proposals in the long-term Cyber Security research programme. The nine projects will investigate a wide variety of cyber-security challenges. For example: Can ‘backdoors’ in embedded devices (allowing cyber criminals to control them remotely) be automatically detected? What can we learn about the personality traits, the motivations and the networks of cyber criminals? How can we strengthen the weakest link in cyber security: consumers without any expertise? How can we find a balance between securing personal data and keeping information systems user-friendly? How can security analysts best detect malware? A second call for research proposals is expected this summer. The proposed research all fits in with the Dutch National Cyber Security Strategy (NCSS). As part of the strategy, in January 2012 the Cyber Security Centre has been founded, that collaborates with NWO.

Internet
Cyber-security treaty signed between the US and the Netherlands:
www.nwo.nl/actueel/nieuws/2012/nwo-en-ncsc-geven-invulling-aan-nederlands-amerikaanse-samenwerking-in-cyber-security-onderzoek.html
Nine NWO projects on cyber security:
www.nwo.nl/actueel/nieuws/2013/ew/negen-projecten-in-cyber-security-onderzoek-van-start.html
Nationaal Cyber Security Centrum:
https://www.ncsc.nl
Department of Homeland Security on cyber security:
www.dhs.gov/topic/cybersecurity
Cyber-security awareness campaign ‘Stop, think, connect’:
www.dhs.gov/stopthinkconnect
DHS Science & Technology Directorate, Cyber Security Division:
www.dhs.gov/st-csd

Geen angst, de robot komt je redden

Tot en met de finaledag van aanstaande zondag is Eindhoven dezer dagen het strijdtoneel van het WK RoboCup. 2500 deelnemers uit veertig landen gaan de competitie aan met reddingsrobots, servicerobots en voetbalrobots. 

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad van vrijdag 28 juni 2013

Achter een puinhoop van stenen staat een auto met het linkerportier open. Zit er nog een slachtoffer in of niet? Een Japanse reddingsrobot zet zijn rupsbanden in beweging en klautert de stenen op. Hij wankelt even, maar vindt zijn evenwicht. De robot reikt met een lange arm naar het portier en zoekt met zijn camera-oog in de auto. Nee, geen slachtoffer te bekennen. Reddingsrobot Kenaf van de Tohoku Universiteit in het Japanse Sendai is aan het trainen op het Eindhovense WK-parcours. Terwijl voetbalrobots de meeste aandacht trekken, zijn het de reddingsrobots die het dichtst bij praktische toepassingen staan. Ideaal voor gevaarlijke klussen in rampgebieden.

De Portugees Gabriel Lopes, universitair docent intelligente robotica van de TU Delft, zit in de organisatie van het wereldkampioenschap voor reddingsrobots. Hij legt uit hoe het WK werkt: “De reddingsrobots moeten slachtoffers vinden in diverse nagebootste rampsituaties. Als slachtoffers gebruiken we trouwens poppen. De robots moeten de omgeving en gebouwen nauwkeurig in kaart brengen en uitzoeken hoe de slachtoffers er aan toe zijn. Bij een echte ramp is het belangrijk dat de robot menselijke hulpverleners informeert waar ze slachtoffers kunnen vinden. De reddingsrobots krijgen cijfers voor alle onderdelen van het zoek- en reddingswerk.”

De reddingsrobots kunnen op afstand met een tablet of zelfs met een virtual reality-helm worden bestuurd, maar ze kunnen ook geheel autonoom opereren. Ook bij een echte ramp is er namelijk lang niet altijd radiocontact met een menselijke operator mogelijk.

Hoe goed presteren de reddingsrobots? Lopes: “In de afgelopen jaren is grote vooruitgang geboekt met het in kaart brengen van de omgeving. Dat is een gigantische uitdaging omdat het terrein na een ramp letterlijk en figuurlijk zo’n puinhoop is. Alles ligt in ongebruikelijke hoeken op en tegen elkaar aan. Modder en stof ontnemen het zicht. Steekt daar een hand uit, of is het toch een stuk steen? De kaarten die de robots tegenwoordig van hun omgeving maken zijn goed bruikbaar voor hulpverleners. Software die voor RoboCup-reddingsrobots is ontwikkeld, ligt aan de basis van de beste software die nu verkrijgbaar is voor het in kaart brengen van omgevingen.”

Dat is een duidelijk succes. Aan de andere kant zijn mobiliteit en robuustheid soms nog wel eens een probleem, geeft Lopes toe. Hoe zit het dan met de inzet van reddingsrobots bij echte rampen? Lopes: “Ze werden voor het eerst gebruikt na de aanslag van 11 september in New York. Het merendeel van de robots raakte echter vast in het puin. Na de kernramp in Fukushima zijn ze ook ingezet om de omgeving in kaart te brengen. Die robots moesten wel uit de VS worden ingevlogen, omdat Japan geen robots had die tegen straling konden. Dat is essentieel omdat anders de boordcomputer gek wordt. Traditioneel heeft Japan ingezet op sociale robots, maar na Fukushima is dat aan het veranderen. Verder begint de Amerikaanse brandweer nu op grote schaal reddingsrobots te gebruiken.”

De meeste reddingsrobots verplaatsen zich op rupsbanden, net als militaire tanks. Sommige gebruiken wielen. Reddingsrobots op benen zijn een uitzondering, maar bieden het grote voordeel dat een robot ermee kan springen. De ideale reddingsrobot van Lopes combineert wielen daarom met benen. Lopes laat een recente Delftse uitvinding zien: een speciaal wiel, dat kan worden afgerold en zo verandert in een gekromd, insectachtig been. Zo hoopt de Delftse roboticus in de toekomst lopen en rollen in een en dezelfde robot te combineren.

“Wat we leren van de reddingsrobots”, zegt Lopes, “kunnen we in andere takken van de robotica gebruiken. Wat betreft bewegen, waarnemen en handelen staan reddingsrobots voor de allermoeilijkste robotica-uitdagingen. Bovendien telt voor een reddingsrobot elke seconde, wat hoge eisen stelt aan de snelheid waarmee de software acties moet berekenen. Als we het probleem van reddingsrobots weten op te lossen, dan hebben we alle roboticaproblemen opgelost.”

[kader]
Creatieve voetbalrobot toont glimp van Messi
Kan een voetbalrobot een actie maken die zelfs de robotmakers verbluft? “Nou en of”, zegt werktuigbouwkundige René van de Molengraft van de TU Eindhoven. Hij is technisch manager van het Eindhovense robotvoetbalteam Tech United dat in 2012 wereldkampioen werd en dat ook dit jaar weer favoriet is. “Tijdens een WK-wedstrijd dribbelde een van onze robots met de bal bij zich. Een tegenstander kwam op hem af. Onze robot draaide tijdens de dribbel om zijn as, ontweek de tegenstander en speelde zichzelf vrij. Briljant mooi. Het leek wel Messi.”

Hoe kan hij zo verbaasd zijn, terwijl hij met zijn team zelf de robot heeft geprogrammeerd? Van de Molengraft: “De programmacode is deterministisch: bij een bepaalde invoer van waarnemingen hoort een bepaalde actie. In zekere zin zit de Messi-actie dus al verscholen in de software. Maar het cruciale punt is dat de wereld om de robot heen zo ongelofelijk veel verschillende mogelijke toestanden kent. Eigenlijk spelen twee stukken software die elkaar niet kennen tegen elkaar. Het gedrag van onze robot hangt af van wat de tegenstander doet. Dat leidt tot emergent gedrag dat niemand van te voren exact kan voorspellen.”

Het Eindhovense team van Tech United werd in 2012 wereldkampioen in de Middle Size League. Hierin spelen twee teams van elk vijf robots tegen elkaar met een officiële FIFA-voetbal. Elk team bestaat uit vier veldspelers en een keeper. De veldspelers mogen maximaal veertig kilogram wegen. Elke speler ziet er uit als een soort kegel op drie wieltjes en rijdt maximaal vier meter per seconde. Twee aparte wieltjes aan de onderkant fungeren als de voeten die de bal mogen spelen. Omdat de bal niet mag worden vastgeklemd tussen de wieltjes, draaien ze allebei rond. Met een schietmechanisme kan de bal worden afgespeeld naar een medespeler of op doel worden geschoten. De robot-Messi moet het voorlopig dus wel nog stellen met wieltjes in plaats van met benen.

Internet
RoboCup 2013 in Eindhoven:
www.robocup2013.org/?lang=nl
De zesbenige robot Zebro van de TU Delft:
http://robotics.tudelft.nl/?q=research/zebro-six-legged-robot
www.robot161.nl/2012/02/het-zebro-project/

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)