Tekst voor de periodiek “Scoop” van de Amsterdamse fysica studenten, april 2010

Is het nou echt allemaal zo als ze het zeggen?

Het woord is dus aan mij. “Where do I begin, to tell the story of how great a love can be, …, where do I start” zoemt door mijn hoofd. Voor de kenners: een lied, “Love story”, Andy Williams, vraag het je ouders, luister op You-tube . Hoe heb ik het gehaat, maar juist nu is het er. Laten we maar zeggen: mijn momentane liefdesverklaring aan Moeder Natuur.

Waarmee zal ik beginnen? Dat Bell-ongelijkheden geen boodschap hebben over locaal realisme; dat donkere materie enerzijds uit donkere baryonen en anderzijds neutrino’s bestaat; dat de algemene relativiteitstheorie een te algemeen uitgangspunt geeft voor onze platte ruimte en de Minkowski-ruimte een beter is; dat we niet zonder energie-impulstensor voor gravitatie moeten willen leven; dat zwarte gaten waarschijnlijk geen horizon hebben en “alleen maar” een soort overmatige neutronensterren zijn; dat quantummechanica slechts een statistische theorie is van een onderliggende realiteit die we kennen als “natuur” of “wereld”; dat er ook een theorie moet zijn die die onderliggende realiteit beschrijft, noem haar de subquantummechanica of verborgen-variabelentheorie. Of dat thermodynamica heel interessant wordt als je quantumsysteem maar een paar vrijheidsgraden heeft; dat glazen gewoon aan wetten van thermodynamica kunnen voldoen; dat turbulentie alleen van kleine naar grote schaal gaat en dat je zog. fossiele turbulentie tijdens vliegreizen meemaakt; dat DNA eigenschappen heeft waar natuurkundigen zich over kunnen verkneukelen; dat het schrijven van dit stuk gebeurt dank zij die vele moleculaire motoren die zich braaf rot rennen over microtubili in mijn spiercellen, kortom: waar doe ik starten? Ja, ik gebruik anglicismen, want ik haat ze. Wel eens beseft dat “daar ga ik voor” een lelijk anglicisme is? Zeg het svp niet in mijn bijzijn, het doet pijn aan mijn oren. Hou je van Nederlands met een Hoofdletter, op mijn thuispagina (zoek de betekenis van “domograaf”) staan 200 spreekwoorden van mijn vader, hij grossierde erin, geen middelbare school of studie, je kunt je evengoed wel ontwikkelen, wat je in je hebt, moet je er uit halen.

De TV staat op National Geographic, het gaat over het Higgs deeltje en de Large Hadron Collider. Laat ik daar over stellen: iedere ontdekking daar zal een verrassing voor me zijn. Nooit iets geleerd zeker? Neen, misschien niet. Op de verkeerde plaats? Dat niet, ik studeerde in Utrecht onder ‘t Hooft, Veltman, van Kampen. We beginnen achteraan: gaat de LHC donkere materie vinden? Alas, op grond van de lenswerking van een cluster van melkwegstelsels kwam ik tot de overtuiging dat het neutrino’s moeten zijn met massa van ca 1.5 eV, die gaat LHC niet zien. Filosofisch niet slecht , al die neutrino’s, meer nog dan de fotonen in de achtergrondstraling, ze moeten toch ergens goed voor zijn. En jawel, Jesus zei het al, de minste zal de belangrijkste zijn, koning David zei het in een psalm: de steen weggeworpen door de bouwlieden heb ik tot hoeksteen gemaakt. Dus: de meeste massa in het heelal van komt van het minst aanzienlijke deeltje. Stel je voor, lange tijd dachten we dat ze niets eens massa hadden, waardeloos waren, zo te zeggen. Leef je eens in in zo’n neutrino, wat een minderwaardigheidscomplex, en er zijn er zo veel van. Nog steeds geen nu-psychiaters ingezet, trauma’s worden ook nooit opgelost… Daar krijgen we echt nog wel meer over te horen, in 2015 wordt getracht hun massa te bepalen. Kom maar lachen, met me of tegen me. “Maar die structuurvorming van melkwegstelsels dan, dat gaat toch niet zo maar?” Hoe bedoel je, niet zo maar? Men vergat de viscositeit in de hydrodynamica , nu werkt ze zonder te morren, zonder koude donkere materie, zonder donkere periode. “Maar ik dacht dat structuren voortkomen uit quantumveldentheorie?” O, ja, voor dat makke plasma van 3000 K, in de kern van de zon is het althans nog een paar miljoen graden. Ken je het spreekwoord: If you have a hammer, everything looks like a nail? Maar goed, als je geluk hebt, is de ook quantumturbulentie nodig. Een nieuw veld om te ontginnen, wie heeft zin?

We gaan naar nummer twee van de LHC, kleine rijm: supersymmetrie. Die kan er zo maar zijn en we kunnen er ladingen van vinden. Of niet, en waarom misschien niet? Wat heb ik er tegen? Nou, ik kan er niets aan doen, het heeft me nooit aangesproken. Is dat natuurkunde, alleen die “intuitie”? Wel, het had er allang kunnen zijn, er waren al eerdere experimenten. Vraag het eens aan een experimentator, hij zal zich wel verdekt opstellen. Heb het dan een tijdje over iets anders en vraag het dan op de man af. Voor mij is het te mooi. Teveel symmetrie, voorspeld met mannen misschien in te mooie pakken, maar zeker met te gladde verhalen, denk aan bankiers en de crisis die ze veroorzaakten. Trappen ze niet in dezelfde val waar Einstein in belandde? Dat symmetrie niet immer de leidraad is? Einstein ging verder na de algemene coordinaatsinvariantie en strandde in de verenigde-veldentheorie, de goegemeente ging verder na het ijkprincipe in het standaardmodel van elementaire deeltjes en werd supersymmetrisch, vraag het mijn naamgenoot. Die verhalen kloppen op zich wel, maar wat ik me altijd afvraag: Wat zou de Natuur er van vinden? Vooralsnog, voor mij: neen, te gladjes, te mooi, ik zie er geen bloed door stromen. Sorry. Zit ik er naast, kom bij me lachen, ik lach mee, ik weet het: Moeder Natuur heeft gelijk.

We zijn bij het Higgs-boson aangeland, het “God”-deeltje. Vreselijk, kunnen die lieden die zelf toch niet geloven dan tenminste het respect opbrengen om Zijn naam niet onnodig te gebruiken, vroeger was dat vanzelfsprekend. Het Higgs mechanisme, zo weten we, geeft massa aan alle deeltjes. Oh ja, waren die deeltjes dan te dom om zelf massa te hebben? Zou kunnen; nietes zou ook kunnen. Laten we eens aannemen dat deeltjes wel slim genoeg zijn om zelf massa te hebben. Wat is dan het Higgs mechanisme? Wel, een truc om die massa in een ijktheorie op te nemen. In dat geval verwacht je dat het redelijk goed werkt als effectieve theorie, maar in bepaalde details te kort schiet. Dat wil zeggen, dat er interacties zijn die niet of niet geheel correct beschreven worden door het Higgs mechanisme. Ja, dat verwacht ik van LHC. Extra interacties tussen de bekende deeltjes, “all in the family”, niet veel meer, “komt in de beste families voor, dus zeker in de mijne”. Kom tzt bij me lachen, met me of tegen me, ik lach mee, ik ken mijn plaats. In alle gevallen hebben we iets geleerd, nu moest ik even mijn verwachting uitspreken.

Goed, genoeg sterke verhalen, we moesten het eens hebben over een onderwerp waar ik wel verstand van heb. Ai, dat wordt moeilijker. Waar heb ik verstand van, ik, die zo vaak twijfel, zelfs over berekeningen die ik toch al gedaan had, conclusies die ik al lang getrokken heb. He, studenten, zijn jullie er nog, hier niet iemand die alles weet en nog meer belooft, geen theorie van alles, hoogstens een theorie van alles wat ik nu begrijp. Beide voeten op de grond, met onuitwisbare vorming tussen de kippen en de koeien, in de klei, de natuur zelf.

Thermodynamica. Tja, ik begon in de statistische fysica, vond, en vooral: zocht, mijn eigen promotieonderwerp. Hoezee, een jaar voor tijd kwam het, een onderwerp over spectra van wanordelijke massa’s verbonden met veren. Later kwam de thermodynamica erbij. Heel leerzaam was het geven van het college “Statistische Fysica”. Als ik me nu afvraag: “Hoe zou ik het zelf aanpakken”, kan ik me eerst afvragen “Wat leerde ik de studenten”. De eerste stappen in een nieuw veld zijn vaak eenvoudig, dat houdt de moed er in. Het Bohr model wordt nu op de middelbare school behandeld, had je in 1910 moeten zeggen, het bestond niet eens. Spectraallijnen waren nog een deel van de scheikunde, ook een oplossing: ik doe of mijn neus bloedt, mijn naam is haas. Nee, vroeg of laat hebben we genoeg om de problemen heen gelopen en moeten ze gewoon aangepakt worden, voor de draad er mee. Thermodynamica van glazen, dat kan toch niet, ze zijn niet in evenwicht, een hele generatie was daar tevreden mee. Maar thermodynamica geldt niet alleen voor evenwicht, dat deel werd ooit thermostatica genoemd, en je ziet het al aankomen, “thermodynamica” was voor niet-evenwicht. En warempel, niet-evenwichtsthermodynamica – zo heet dat nu -geformuleerd voor spinglazen en modelglazen liet zien waarom die generatie vastgelopen was. Eind van het liedje: Glazen zijn niet in evenwicht, maar hun langzame processen kunnen zo traag zijn dat ze een effectief evenwicht bij een effectieve temperatuur bewerkstelligen, net alsof die processen aan een tweede bad gekoppeld zijn. In die zin geldt de thermodynamica en de tweede hoofdwet. Deze boodschap was het schrijven van een boek waard, er is veel dynamica, het is echt niet allemaal thermodynamica.

Quantumthermodynamica. Ik had een postdoc, eentje uit duizenden. Ik kon al mijn ideeën voor het onderzoek in het volgende decennium uitspreken, af of onaf – het laatste dus - zinnig of niet zo. Hij dacht mee en we ordenden de handel een beetje, veel ervan is nu uitgewerkt. Ik wilde naar quantumspinglazen gaan, hij begon eraan, maar kwam snel terug met: ja, maar er zijn nog zoveel vragen die eraan vooraf gaan. Inderdaad, gewoon een harmonische oscillator gekoppeld aan een bad, maar nu alles quantummechanisch. Na 52 pagina’s hebben we er maar een eind aan gebreid, het enige artikel in de Physical Review met “perpetuum mobile” in de titel, het mag ook eens gezegd. Om kort te gaan, thermodynamica voor een quantumsysteem met een paar vrijheidsgraden, gekoppeld aan een groot warmtebad en een grote werkbron: het bestaat (!) en zit vol met verrassingen.

Hebben we het eens over zwarte gaten. Ik hou van simpel, dat is in dit geval: groot, de superzware krengen. Die in het centrum van ons Melkwegstelsel is met zijn 4 miljoen zonmassa’s nog maar een beginneling, beneden de miljard tel je daar niet mee. En omdat de straal met de massa gaat, is de dichtheid van orde 1/massa^2, ofwel, hoe zwaarder, hoe luchtiger. En wat blijkt, die superzware hebben een gemiddelde dichtheid van lucht. Nou daarmee hadden we niet zo gek veel problemen, dat werd in de 18e en 19e eeuw al opgelost, dus ik verwacht voor de superzware jongens ook een ietwat simpele theorie, zoals quantumveldentheorie in gekromde ruimte. Of ik daar al uit ben of nog niet – het staat in de sterren geschreven. Maar het wil er bij mij niet in dat je niet mag vragen wat er binnen de horizon van een zwart gat is. Sterker, ik zie het als onze taak om de natuur te beschrijven en als we van die binnenkant afzien, weigeren we een deel van onze taak, werkweigering, een reden voor ontslag. Dus ik heb geen begrip voor een horizon, voor alle massa in een punt waarvoor we geen theorie hebben, en als consequentie, zie ik geen reden voor connecties met quantumzwaartekracht. “Ik zie het niet meer zitten, ik kan er niet meer bij, ik kan het niet meer volgen, het hoeft niet meer voor mij.” Dit is mijn huidige insteek, ik kan vast bijleren indien nodig; politici spreken in zulke gevallen over “voortschrijdend inzicht”, wat bij hen overigens nooit tot aantoonbaar diepere inzichten leidt. Mijn collega astronoom zegt het minder wollig: de accretieschijf zit bij een quasar, die je door een lens –een melkwegstelsel halverwege- ziet, heel ver naar buiten. Het lijkt er op dat dit niet in de schijf zelf veroorzaakt kan zijn en dat een grotere kracht nodig is: een magnetisch veld van de quasar zelf. Maar dan speelt het geen-haar theorema op: dat gaat niet zomaar: zwarte gaten hebben geen haar, geen magneetvelden. Maar als die er nou toch zijn, komt de boemerang terug: dan zijn quasars geen “zwarte gaten”, hebben geen horizon, noem ze “grijze gaten” of op zijn best “astrofysische zwarte gaten” – als het beestje maar een naampje heeft. In ieder geval objecten die een soort overmatige neutronensterren zijn, maar niet die dingen waar je je volgens de leerboeken toch niets zinnigs bij voor kunt stellen – wat een opluchting voor die mensen die dat onbegrijpelijke toch nooit begrepen hadden, ik vergeef het ze, ik begrijp ze. Wel, de tijd zal leren of dit inderdaad waar is, het zou heel wat bodem wegslaan onder het idee van quantumgravitatie.

Over quantumgravitatie gesproken, moeten we dat willen? Iedereen gelooft van wel, maar laat me een ander scenario uiteen zetten. Tot nu toe heeft iedere theorie een eindig toepassingsgebied gehad. Ik stel me voor dat dat ook voor quantumtheorie geldt. Dat betekent dat er dan een schaal is waar voorbij er nog wel statistiek is, die echter niet door quantumtheorie beschreven wordt, maar door een subquantumtheorie. En die schaal kan best voor de Planckschaal liggen, waarom erna, dat zou flauw zijn. Deze optie zal nog wel even openblijven, vast en zeker lang genoeg om mijn handen van quantumgravitatie af te houden.

Ik ben aan het eind van dit betoog. Ik wil nog even het verschil tussen “slim” en “wijs” aanstippen. Beide kwaliteiten zijn nodig, maar soms heb je even meer aan de ene dan aan de andere. Er waren twee mannen, die een ver doel moesten zoeken, er stond een flinke prijs op. De ene: jong, sportief, getraind; de andere: oud, met een wandelstok. Het startschot ging, de jonge stoof weg, zoef, als een speer, al gauw buiten zicht. De oude heer ging rustig wandelend weg. Hij kwam het eerst aan. Zijn geheim? Hij had bedacht welke kant hij op moest.

Er wacht ons een schone toekomst. We gaan over het Higgs mechanisme en over neutrino’s leren, over turbulentie en over zwarte gaten. En wie weet, over de subquantummechanica.

En een tip over hoe je onderzoeker wordt? Reken iets na wat je intrigeert, geheid dat je ergens vast loopt. Ga er over na denken en probeer het op jouw manier. Je vindt vast iets nieuws.

Theo Nieuwenhuizen

Ik geef het stokje over aan: Bernard Nienhuis

Een opvullertje voor elders in het blad:

Het Russische theorema (Theo Nieuwenhuizen)

Voor ieder probleem in de fysica is er een geheel getal N≥1 en een reëel getal ε>0, zodat er een Russische fysicus is, minder bekend dan ε, die het probleem N+1 jaar geleden opgelost heeft.