Citaten uit

Vijf vragen voor de Einstein van nu

Robbert Dijkgraaf, NRC Magazine augustus 2005

Honderd jaar geleden verbaasde Albert Einstein de wereld met zijn revolutionaire ideeën over ruimte en tijd. Daarom is 2005 uitgeroepen tot het World Year of Physics. Wat zijn de grote vragen waar een nieuwe Einstein, nu misschien een innovatie expert in Shanghai of Bangalore, zich over kan buigen?

Over de ontbrekende 95 procent van ons heelal, over de aard van de zwarte gaten, over donkere energie of donkere materie? Of gewoon over de vraag of er over honderd jaar
nog wel natuurkunde bestaat?

Heeft u al last van Einstein-vermoeidheid? [...]

Toch is het goed stil te staan bij het enorme genie van Einstein en de manier waarop hij onze kijk op de wereld compleet heeft weten te veranderen. [...]

In de 17de eeuw creëerde Newton eigenhandig de moderne natuurwetenschap: een elegant stelsel van wiskundige vergelijkingen waaraan alle objecten in de natuur voldoen, van de planeten in de hemel tot de spreekwoordelijke appel op aarde. 

Newton beantwoordde de vraag die ieder kind stelt: 'Waarom valt de maan niet naar beneden?' In zijn mechanische wereldbeeld, dat loopt als een goedgeolied Zwitsers uurwerk, werd het voor het eerst mogelijk om de precieze uitkomsten van experimenten te berekenen. Dit leek een prestatie die nooit geëvenaard zou worden. Er is maar één systeem van het universum om te ontdekken, en Newton had het ontdekt. 

Maar meer dan twee eeuwen later wist Einstein deze prestatie toch te overtreffen. Met excuses aan zijn illustere voorganger ('Newton, vergeef me', zou hij later in zijn autobiografie schrijven) schoot Einstein in een periode van slechts een aantal maanden het klassieke bouwwerk van Newton aan gruzelementen. [...]

Einsteins eerste slachtoffers waren ruimte en tijd. 

Bij Newton vormden zij slechts het decor waarin de natuurverschijnselen zich afspeelden. De ruimte werd verondersteld als oneindig en vlak, precies zoals de oude Grieken het zich al voorstelden, en de tijd was 'absoluut, waar en wiskundig' , een eindeloos doortikkende kosmische metronoom die zich van niemand iets aantrok. Maar Einstein brak radicaal met dit beeld. 

Bij hem kreeg het decor de hoofdrol toebedeeld. Hij liet zien dat ruimte en tijd innig verstrengeld zijn. Het hangt maar helemaal af van de plaats en de snelheid van een waarnemer of twee gebeurtenissen voor of na elkaar plaatsvinden. Alles werd relatief. Met E=mc², ongetwijfeld de beroemdste natuurkundige formule aller tijden, liet hij zien dat massa kon worden omgezet in pure energie en dat omgekeerd iedere vorm van energie massa draagt. En alsof dat allemaal niet genoeg was, leerde Einstein ons in datzelfde jaar ook hoe licht zich tegelijkertijd als een golf en een deeltje kan voordoen en vond hij een methode die voor het eerst het bestaan van moleculen aantoonde. [...]

[...]

Met alle excuses aan Newton en Einstein, er was geen perfect begrepen wereld, toen niet en nu niet.

[...]

Alle eigenschappen van alle materialen waren in 1905 fundamenteel onbegrepen. Het was niet eens duidelijk dat je deze vragen mocht stellen. Daarvoor moesten eerst atomen en moleculen ontdekt worden en alle natuurkundige revoluties van de afgelopen eeuw plaatsvinden. Pas nu, honderd jaar later, na al deze inspanningen, kunnen  we het antwoord op deze vragen in principe rechtstreeks berekenen, net zoals Newton dat voor de banen van de planeten deed. 

Laten we met deze wijze les in het achterhoofd naar een paar van de grote vragen kijken waarmee de huidige fysici worstelen.

1. Waar is de resterende 95 procent van ons heelal?

Weet u precies hoeveel u niet weet? Dat is soms het dubieuze voorrecht van de natuurkundige. Zo weten we sinds kort hoe de energie in het heelal is verdeeld. En dat is een uiterst nederige ervaring. Want maar 5 procent van die energie blijkt te bestaan uit de materie en straling die in de natuurkundeboeken terug is te vinden. De resterende 95 procent is volstrekt onbekend. Daar gaat het idee al dat de fysica af is! 

Hoe zijn we achter het bestaan van die 95 procent gekomen, als we niet eens weten wat het is?

Door gebruik te maken van het meest dramatische gevolg van Einsteins ideeën: het feit dat het heelal leeft, dat ruimte en tijd hun eigen geschiedenis en toekomst hebben. 

Het klinkt zo simpel, maar het is een onvoorstelbare triomf van de wetenschap, dat we binnen een eeuw deze geschiedenis van bijna 14 miljard jaar hebben weten te reconstrueren. En wat een leven is het geweest, wat een drama. 

[....]

Via enorme telescopen en gevoelige satellieten komt nu een stroom van precisiemetingen tot ons. Het oplichtende panorama is werkelijk adembenemend. 

[...]

Aan de hemel blijkt een vingerafdruk van de oerknal te staan in de vorm van kosmische straling afkomstig van vlak na de Big Bang. Deze babyfoto van het heelal, toen pas 400.000 jaar jong, draagt al de kiemen in zich die uiteindelijk zouden uitgroeien tot de ontelbare sterrenstelsels om ons heen. En we wachten in spanning op de detectie van de eerste zwaartekrachtsgolven, rimpels in de ruimte en tijd die als vloedgolven vanaf de oerknal zijn komen aanrollen.

[...]

Uit al deze nieuwe metingen kan de levensloop van het heelal zorgvuldig worden gereconstrueerd. Omdat de verschillende vormen van energie, zoals straling of materie, ieder een eigen herkenbaar effect hebben, ...

... kunnen we toch iets over de ontbrekende 95 procent zeggen. 

Met deze bizarre mogelijkheid had Einstein al rekening gehouden. We zijn gewend dat de zwaartekracht altijd aantrekt - levitatie behoort tot het domein van de Maharishi Yoghi en andere zweverige types - maar in de relativiteitstheorie bestaat er wel degelijk anti-zwaartekracht. De energie van het vacuüm, die we nu donkere energie noemen (niet te verwarren met donkere materie), maakt de ruimte tot een ingedrukte spons. De ruimte stoot zichzelf af en dijt alleen maar sneller en sneller uit. Het is alsof de natuur flink op het gaspedaal trapt. Die uitdijing produceert weer nieuwe lege ruimte en dus weer meer donkere energie. Donkere energie is dus echt een groeimarkt en zal in de verre toekomst alles domineren. 

De gevolgen op lange termijn zijn werkelijk dramatisch. 

Volgens de huidige inzichten zal het heelal over een paar honderd miljard jaar zover zijn opgerekt, dat er haast alleen nog maar lege ruimte over is. In dat kille en lege heelal, waarin niet langer andere sterrenstelsels aan de hemel zullen staan, zullen we ons erg eenzaam gaan voelen. En dat is nog het optimistische scenario. Er zijn ook rampspoedvarianten waarin de donkere energie zo snel groeit dat het heelal op een gegeven moment in een Big Rip uit elkaar wordt gescheurd.

2. Waar komt donkere energie vandaan? 

Er zit poëzie in het feit dat de evolutie van het heelal wel eens bepaald zou kunnen worden door de eigenschappen van de allerkleinste deeltjes. Deze worden geregeerd door de bizarre regels van de quantummechanica. 

[...]

De liberale quantumwetten staan dingen toe die Newton nooit had goedgevonden. Zo kunnen deeltjes uit het niets ontstaan, als ze maar snel genoeg verdwijnen, voordat ze gedetecteerd kunnen worden. Deze spookdeeltjes laten toch een spoor achter in de vorm van donkere energie. 

Niet dat we er iets van begrijpen. 

Volgens de theoretische berekeningen vinden we de gemeten waarde pas op de 120^ste decimaal achter de komma. Dat is een absurd klein getal, ongeveer gelijk aan de kans dat de spreekwoordelijke chimpansee precies deze zin in één keer weet te typen. Waar komt zo'n 'onnatuurlijk' klein getal vandaan? Dit is een van de allergrootste raadselen van het heelal. Het is rechtstreeks verbonden aan de vraag waarom het heelal zo onvoorstelbaar groot is, althans ten opzichte van de elementaire deeltjes waaruit het is opgebouwd.

[...]

3. Wat gebeurt er in een zwart gat? 

Zwarte gaten zijn misschien wel de meest bizarre voorspellingen van Einsteins theorie. Ze spreken in ieder geval heftig tot de verbeelding. Een zwart gat kan ontstaan als een ster aan het einde van haar leven, als alle brandstof is opgebruikt, onder invloed van de zwaartekracht ineen gaat storten. 

Op een gegeven moment is deze implosie niet meer te houden en wordt alle materie samengetrokken in één punt, de singulariteit genaamd. Daar wordt de zwaartekracht oneindig sterk, waardoor alles onherroepelijk fijn wordt geperst. 

Zwarte gaten zijn daarmee kleine broertjes van de oerknal, maar dan omgekeerd in de tijd. want in de singulariteit stopt de tijd letterlijk. Daar is de fysica dus echt afgelopen,  over en uit, finito. 

[...]

Zo bevindt zich in het centrum van ons Melkwegstelsel een gigantisch zwart gat, dat zo
zwaar is als vier miljoen zonnen. Rondom deze superzware slokop kun je sterren met onvoorstelbaar hoge snelheden hun rondjes zien draaien. In deze supersized versie van ons zonnestelsel hebben sterren de rol van de planeten overgenomen en wordt de zon gespeeld door het massieve zwarte gat. 

[...]

Maar wat gebeurt er nu eigenlijk in het binnenste van een zwart gat? Hoe kan tijd nu stoppen? Hoewel niemand direct een kijkje zal gaan nemen, is deze vraag van meer
dan theoretisch belang. Hij is direct verbonden aan een andere levensgrote vraag: 'wat gebeurde er bij de oerknal, toen de tijd begon?' 

Hier laten Einstein en de moderne fysica het helaas afweten.

[...]

4. Wat is het patroon van deeltjes en krachten?

Een van de absolute succesverhalen van de afgelopen honderd jaar is de constructie van het Standaardmodel. Voor een theorie die alle bekende deeltjes en hun interacties beschrijft, is dat wel een heel bescheiden naam - niets hier van super, hyper of über. 

Dat Standaardmodel is een wonder van wiskundige elegantie. Met wat passen en meten kan de formule op één regel. De quarks, elektronen, neutrino's en hun verre familieleden liggen in prachtige patronen uitgestald. De krachten die deze deeltjes op elkaar uitoefenen, volgen allemaal uit een diepe, onderliggende symmetrie.

Toch roept dit model ook een andere gedachte op: 

Want er zijn heel veel simpele vragen te stellen, waarop niemand het antwoord weet. 

Alles suggereert dat het Standaardmodel niet het definitieve verhaal kan zijn. Er zijn een aantal cruciale puzzelstukjes zoek.

[...]

Keer op keer blijkt dat de natuur meer van haar geheimen prijsgeeft als we meer van de kortlevende deeltjes erbij betrekken. Dan pas worden de onderliggende patronen zichtbaar. Zo zijn er subtiele aanwijzingen dat bij zeer hoge energieën, wel een biljoen maal hoger dan we met de huidige versnellers kunnen bereiken, de drie krachten van het Standaardmodel ineen zullen smelten in een overkoepelende theorie. 

Een mogelijke kandidaat voor zo'n 'theorie van alles' is de snaartheorie, een wonderbaarlijke maar wiskundig zeer weerbarstige theorie waarin de deeltjes worden voorgesteld als kleine trillende elastiekjes. Als de snaartheorie het laatste woord is, heeft de natuur nog veel meer verrassingen in petto, zoals kleine, opgerolde, extra ruimtedimensies en minuscule zwarte gaten. 

Een van die ontbrekende puzzelstukjes, het Higgs-deeltje, kan al over tweejaar gevonden worden, als de nieuwste versneller in het CERN-Iaboratorium in Genève wordt aangezet. Het zou eindelijk verklaren waar massa vandaan komt.

[...]

Maar de grote vraag zal voorlopig onbeantwoord blijven: 

[...]

5. Is er over honderd jaar nog natuurkunde?

Een geliefkoosd gezelschapspel onder fysici is een lijstje met vragen te maken die je zou willen stellen, wanneer je als Doornroosje uit een honderdjarige slaap zou ontwaken. De donkere materie, donkere energie en de nieuwe deeltjes staan vaak in de top-3.

Maar misschien is de belangrijkste vraag wel of er over honderd jaar überhaupt nog natuurkunde op aarde te vinden is. Wie weet, leven we dan in een wereldwijde theocratie, waar de enige grote vragen zijn of het Opperwezen de wereld schiep bij het ontbijt of in de namiddag bij de thee.

[...]

Een van mijn helden, de fysicus John Wheeler, nu 94 jaar oud maar nog steeds actief, tekent graag een plaatje van een grote letter U (van universum) met op één pootje een oog dat naar de rest van de letter kijkt. Hij probeert daarmee uit te drukken dat wij mensen eigenlijk het oog van het heelal zijn. Via ons, en misschien alleen via ons, doet het heelal aan introspectie. Dat is een eervolle maar ook zwaarwegende verantwoordelijkheid. Heeft de menselijke beschaving nog de wil en de mogelijkheden om de komende eeuw deze taak op zich te nemen, om naar het universum te blijven kijken en zich verwonderd af te vragen: wat is het systeem achter dit alles?

Op 7 augustus [was] Robbert Dijkgraaf te gast in het programma Zomergasten.

Robbert Dijkgraaf is universiteitshoogleraar mathematische fysica aan de Universiteit van Amsterdam.
André Thijssen is illustrator.