NRC Handelsblad 10-7-1990 — ‘De theorie voor alles of niets’ is de titel van de inaugurale rede, die Piet Mulders, buitengewoon hoogleraar in de ‘theoretische intermediaire-energie fysica’ aan de VU, vorige maand hield. Hoe belangrijk is het niets voor het alles?
***
De aanstaande hoogleraar in de ‘theoretische intermediaire-energie fysica’ zit in een erg kaal kamertje in de VU. Hij heeft hier nog maar net zijn intrek genomen, over drie uur gaat hij zijn inaugurale rede houden. Aan de wand hangt een schoolbord vol formules, van de soort die striptekenaars of fotografen graag als achtergrond voor zeer geleerde fysici gebruiken – onleesbare reeksen symbolen, die op de structuur van onze materie zullen slaan.
Piet Mulders zelf doet aanvankelijk zichtbaar zijn best om woorden als leptonen, anti-neutrino’s en pi-mesonen niet te snel uit te spreken, maar in het toenemend enthousiasme van zijn betoog vuurt hij ten slotte complexe begrippen als versnelde deeltjes op mij af.
Snel nemen we de grondbeginselen door. Maar dan wil ik weten wat ‘intermediaire-energie fysica’ eigenlijk is.
Nijmegen
Mulders: “Ik ben opgeleid in Nijmegen, bij de afdeling hoge-energie fysica, waar men zich ondermeer bezig houdt met de laag-energetische kant van de hoge-energie fysica.” Hij legt uit dat intermediaire energie echter niet ‘halfhoog’ betekent, maar dat het begrip meer geïnterpreteerd moet worden als ‘bemiddelend tussen’: “Naar mijn mening moet het veld van onderzoek gezien worden als het raakvlak tussen kernfysica (laag energetisch) en hoge-energie fysica. Ik zie het dus niet als een nieuwe sub-discipline van de subatomaire fysica.”
– Welke subatomaire deeltjes hebben vooral uw belangstelling?
“Primair houdt de subatomaire fysica zich bezig met de studie van de atoomkern. Die kern is uit protonen en neutronen opgebouwd. Een proton is maar vijf keer zo klein als de kern zelf. Een ‘typische kern’ is 3 femtometer groot (1 femtometer is 015 meter), en daarin zitten protonen van 0,8 femtometer doorsnee. In een kern zoals van die van zuurstof, bestaande uit zestien neutronen en protonen, zitten die deeltjes dus stevig op elkaar gepakt.
“Een proton en een neutron zijn op zich ook weer samengesteld. Ze zijn opgebouwd uit quarks, de elementaire bouwstenen van de materie – voor zover we dat nu kunnen overzien.
“Een vraag van de ‘intermediaire- energie’ fysicus is bijvoorbeeld: wat voor rol spelen de krachten tussen quarks in de krachten die in een atoomkern heersen? Dit is enigszins vergelijkbaar met de vraag die in de molecuulfysica gesteld wordt: wat voor rol speelt de elektronenstructuur van het atoom binnen het molecuul? De atomen binnen een molecuul kunnen een beetje gepolariseerd worden. Zo kan misschien een proton of een neutron binnen een kern ook een beetje ‘gepolariseerd’ zijn – al werkt dat hier anders, omdat quarks onderling niet uitgewisseld kunnen worden, in tegenstelling tot elektronen.”
Grieken
We verdiepen ons in elementaire deeltjes. Was de atoom al ‘ondeelbaar’ volgens de Grieken, volgens Rutherford bestond het atoom uit een kern en in banen rondzwermende elektronen. Er werden protonen en neutronen in de kern ontdekt, en in het begin van de jaren zestig werden door Gell-Mann en Zweig de quarks gepostuleerd als bouwstenen voor de protonen en neutronen.
Een quark kan niet los voorkomen, alleen als drietal (bijvoorbeeld in een proton) of samen met zijn antiquark (in een meson), dus daarom is een quark moeilijk te bestuderen, en niet direct te zien of hij uit kleinere onderdelen is opgebouwd.
De vraag blijft dus, in hoeverre is een quark nu het allerkleinste onderdeeltje van de materie – een ‘punt-deeltje’. Of is een quark op zich ook weer samengesteld?
Mulders: “Tot nu toe is er geen reden om aan te nemen dat een quark geen puntdeeltje is, op grond van onze berekeningen vergeleken met de experimenten die worden gedaan. De theorie staat dus nog overeind. Nog wel. Maar volgend jaar gaat dat misschien mis, want dan beginnen de experimenten met de HERA-versneller bij DESY in Hamburg.
“Het kleinste detail dat we tot op heden kunnen waarnemen is ongeveer 1/100ste van de straal van het proton. Op dit niveau zijn quarks nog puntvormig. Maar volgend jaar, bij de experimenten in HambUrg, kunnen we de scherpte van het beeld vertienvoudigen, dan zien we details tot 1/1000ste van de straal van het proton.”
– Hoopt u dat ‘het mis gaat’?
“Nou, dat zou heel interessant zijn.”
– Als quarks worden ontmaskerd als samengestelde deeltjes, moet er dan een nog grotere versneller komen?
“Er zijn al plannen voor nog grotere versnellers, die ons nog een factor tien verder brengen.”
– Bij die superversneller zou je dus de situatie kunnen krijgen dat je een elektron dwars door een quark heen schiet. Wat zie je dan?
“Ja, als eenquark samengesteld is, zou dat kunnen gebeuren. Maar dat‘doorheen schieten’ moet je niet te letterlijk nemen. Je werkt met quantummechanische beschrijvingen, waarbij de deeltjes een golfkarakter hebben. Wanneer een quark-samengesteld zou zijn uit meerdere ‘onder’deeltjes, krijgen we een kenmerkend interferentie-patroon.
Vacuüm
Zo, morrelend aan de basis van de materie, komt de onvermijdelijke vraag waar alles van gemaakt is, en hoe zich dat verhoudt tot het niets, het vacuüm. Iets te zeggen over het niets, is dat mogelijk? Het blijkt zo te zijn, want het vacuüm heeft een ingewikkelde structuur, zestig jaar geleden al (voor, elektronen) in theorie opgesteld door Paul Dirac.
Mulders: “Een aardig voorbeeld is de viool en de blinde. Mijn vacuüm is als een viool. Ik zie hem niet, maar hij is er wel. Het vacuüm heeft dus een ingewikkelde structuur, want een viool is een ingewikkeld instrument, maar voor de blinde is die zonder betekenis. Door energie aan de viool toe te voegen, zeg maar gewoon door over de snaren te strijken, ontstaat een toon. En die nemen we waar. Dan ‘zien’ we iets.”
De oratie van Mulders is getiteld ‘Een theorie voor Alles of Niets?’. Hij behandelt behalve dit Niets ook het Alles, maar stelt dat, zelfs als we de theorie voor ‘alles’ hebben, dit nog niet betekent dat we ook het vacuüm – dit ‘niets’ – begrijpen. (Dit is dan ongeveer tegengesteld aan de ‘Oosterse mystiek’, waarmee iemand als Fritjof Capra schermt in relatie tot de quantummechanica; in een filosofische leer als het Boeddhisme wordt eerst naar de ‘totale leegte’ gestreefd om op grond daarvan een inzicht in de kosmos te vers werven.)
Theorie voor Alles
Een aantal fysici hebben zich in afgelopen jaren de opmerking laten ontvallen dat binnen afzienbare tijd de wereld opgefleurd zou worden met een ‘Theorie Voor Alles’, een soort elementair-fysische toverspreuk, die zo krachtig en veelomvattend is dat het hele heelal verklaard zou kunnen worden op basis van een aantal elementaire deeltjes en hun onderlinge krachten (van elektrische krachten tot en met zwaartekracht). De verdedigers van dit standpunt hebben zich daarmee de spot van anderen mee op de hals gehaald, zoals de Amsterdamse natuurkundige Ad Lagendijk, die deze houding ‘arrogant’ noemde.
– Waarom kunt u, na een top-down benadering die een Theorie voor Alles kon opleveren, de omgekeerde weg niet bewandelen om, uitgaande van zo’n theorie, de opbouw van de wereld om ons heen te verklaren? Komt een aan de hand van quarks beschreven olifant niet tot leven?
“In theorie moet dit mogelijk zijn, zou je dan zeggen. Maar ik weet zeker dat dit in de praktijk nooit kan gebeuren. Stel dat je een computer wilt bouwen die de gehele olifant tot in details simuleert, dan is die computer in feite die olifant. Het aantal vrijheidsgraden is zo groot, dat je de olifant niet kan beschrijven vanuit de Theorie voor Alles.
“Daarnaast heb je uiteraard nog de problemen, die de computer zal ontmoeten en die de natuur zelf soms heel onlogisch heeft opgelost: je komt punten tegen waar je gewoon een keuze moet maken. Je kan in je theorie een kromme tegenkomen met bijvoorbeeld een scherpe hoek er in – in ieder geval niet continu – of een reeks hobbels en dalen, met hier een laagste energieniveau, en daar, en dáár, en waar de natuur gewoon een toevallige keuze maakte.”
– Zoals linksdraaiend melkzuur en een rechtsdraaiend slakkenhuis.
“Ja, dat soort keuzes zijn niet te berekenen door de fysicus. In zijn berekeningen komen beide mogelijkheden als oplossing voor.
“En afgezien hiervan, waarom maak je al die theorieën? Je stelt ze op om de essentie van een natuurlijk verschijnsel te leren kennen – dat wil zeggen de relevante vrijheidsgraden te isoleren – en niet om die natuur na te bouwen.
“Stel dat je een computer wilt construeren om het weer buiten tot op de regendruppel nauwkeurig te voorspellen. Dan heb je oneindig veel gegevens nodig, je hebt oneindig veel vrijheidsgraden, en dan kan zelfs de snelste computer met het beste programma het niet beter of sneller doen dan het weer zelf. En wat heb je daar dan aan? Wat leer je daar nog van?”
De zon schijnt inmiddels tegen de ruiten, met ‘intermediair-hoge energie’, bemiddelend tussen stapelwolken. Het uur van de oratie nadert. Mulders trekt zijn jasje aan, en stapt met een hoge frequentie van passen over de gang naar de lift.
KADER
Belangrijk voor het theoretisch onderzoek naar de elementaire bouwstenen van onze-materie zijn de deeltjesversnellers, waarin de theorie getest moet worden. Uiteindelijk is natuurkunde een empirisch vak – en hoe wiskundig de theoretisch fysicus ook moge denken, hij moet zijn theorie toetsen aan de natuur, hoe onalledaags die ook is binnen in een versneller.
Een versneller is in feite een microscoop. Een bacterie die onder een conventionele licht-microscoop ligt, en waarop een lampje schijnt, wordt (om met de woorden van de hoge- energie fysicus te spreken) met fotonen beschoten, of nog beter: “Ik verstrooi mijn fotonen aan de bacterie”. Op dezelfde manier als fotonen kunnen elektronen (bijvoorbeeld zoals in een elektronenmicroscoop) of ook andere deeltjes gebruikt worden. In alle gevallen is het de energie van de deeltjes die hun golflengte, en daarmee hun ‘oplossend vermogen’ (de scherpte van het beeld) bepaalt. Hoe kleiner het object, des te korter moet de golflengte van het deeltje zijn, om nog wat te zien. En hoe hoger zijn energie, des te groter de versneller moet zijn.
Uiteindelijk bereikt men de schaal dat de fysicus zegt: “Ik verstrooi mijn elektronen aan een proton”. Er is dan uiteraard geen sprake meer van enig beeld. De elektron botst met grote vaart op een proton, uit deze botsing komen andere deeltjes voort die in worden opgevangen, bijvoorbeeld in een ‘dradenkamer’ – een opstelling met duizenden draden, verbonden met een computer. Een deeltje schiet langs een draad, wordt gesignaleerd (‘geeft een tik’) en die signalen samen met miljoenen andere, worden door de computer uitgerekend tot een beeld of een getal.
Voor het onderzoek van de structuur van de atoomkern, samengesteld uit protonen en neutronen (het traditionele onderzoeksterrein van de kernfysica) worden versnellers zoals die bij het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge-Energie Fysica (NIKHEF) gebruikt. De elektronen krijgen een energie tot ongeveer 600 MeV (600 miljoen elektronvolt, dit is de energie die een elektron krijgt na een potentiaalverschil van 600 miljoen volt doorlopen te hebben. De versneller hiervoor is tweehonderd meter lang.
Voor het onderzoek van de quark- structuur van protonen en neutronen zijn versnellers met hogere energie nodig. Zo ontstond historisch gezien de naam ‘hoge-energie fysica’.
De versnellers werden steeds groter, of (om de lengte oneindig te maken) cirkelvormig. Een nadeel van de cirkelvorm is dat deeltjes hij hogere snelheden in hun baan gehouden moeten worden. Dat kan door ze ‘naar binnen’ te trekken. Met name lichtere deeltjes gaan bij hoge snelheid onder invloed van deze kracht een zogenaamde remstraling (fotonen) uitzenden, hetgeen weer energie kost en remmend werkt. Zwaardere deeltjes hebben daar minder last van.
In het CERN te Genève worden muonen versneld tot bijna 300 GeV (300 miljard elektronvolt) waarmee een schaal van 1/100ste van die van het proton bekeken kan worden. Met de HERA versneller in Hamburg kan hierin en factor tien verbetering komen.
De grote versnellers worden niet alleen gebruikt om het scheidend vermogen op te voeren, maar ook om nieuwe zware deeltjes te creëren door energie om te zetten in massa. De LEP versneller bij CERN is op dit moment de grootste met een omtrek van 27 kilometer. De geplande SSC-versneller in Texas krijgt een straal van 83 kilometer.
De vraag is of dat voldoende zal zijn om te ontdekken, of quarks, de (tot op heden elementaire) bouwstenen van protonen en neutronen, uit meerdere onderdelen zijn opgebouwd. Zo ja, dan kan de fysicus weer vele jaren vooruit om die allerkleinste deeltjes te onderzoeken. Zo nee, dan kan hij ook nog vele jaren vooruit, want niemand zegt dat er niet nog eens duizend keer scherper gekeken moet worden om ze alsnog te ontdekken.