De energierevolutie die verdampte: staat de natuurkunde aan de vooravond van een crisis?

Zeg ‘supergeleiding bij kamertemperatuur’ en de meeste natuurkundigen beginnen te dagdromen. Wanneer een materiaal supergeleidend wordt, verdwijnt daarin alle elektrische weerstand. Lukt dat bij kamertemperatuur, dan open je de deur naar een sciencefictionachtige toekomst. Eentje met elektriciteitsnetwerken waarin je stroom rondpompt zonder energieverlies, bijvoorbeeld. Een toekomst waarin extreem krachtige elektromotoren bestaan en computers die rekenen zonder ooit nog oververhit te raken.

Logisch dus dat kranten wereldwijd, ook de Volkskrant, eind 2020 uitpakten met het nieuws dat fysici daar eindelijk dichtbij waren. Een Amerikaanse onderzoeksgroep onder leiding van Ranga Dias had supergeleiding bij kamertemperatuur gerealiseerd, zo schreef het team in vakblad Nature. Het was nog wel nodig het materiaal onder extreem hoge druk te zetten, maar het was een belangrijke eerste stap, zo luidde ieders conclusie.

Drie jaar later is dat resultaat verdampt en resteert slechts teleurstelling en de geur van fraude. De redactie van Nature besloot het vakartikel eind 2022 definitief terug te trekken omdat ze zich zorgen maakte ‘over hoe de meetgegevens in dit artikel verwerkt en geïnterpreteerd zijn’. Dat gebeurde overigens onder bezwaar van alle negen auteurs. ‘We staan achter ons werk’, zei Dias kort na het besluit tegen Science.

‘Het gevoel in onze gemeenschap is dat deze onderzoeksgroep sowieso gehaast, en mogelijk zelfs frauduleus, werk aflevert in de hoop dat ze de eerste zijn met een publicatie. Dan staan ze straks boven aan de lijst voor een Nobelprijs’, zegt fysicus Milan Allan van de Universiteit Leiden, die zelf ook onderzoek doet naar supergeleiding.

En zo zijn er nog meer voorbeelden van complex natuurkundig onderzoek waarbij de resultaten achteraf uit de boeken moesten worden geschrapt.

Bewijs voor inflatie

Het is met terugwerkende kracht een bijzonder pijnlijk filmpje. Het moment in 2014 dat theoretisch natuurkundige Andrei Linde de deur opent voor fysicus Chao-Lin Kun van het experiment Bicep2. Kun vertelt Linde dat dat experiment eindelijk bewijs heeft gevonden voor inflatie: Lindes populaire idee dat de kosmos vlak na de oerknal tijdelijk razendsnel uitzette. De vrouw van Linde valt Kun daarop in de armen. Linde zelf leunt geëmotioneerd tegen zijn deurpost, tranen in de ogen. Even later trekken ze samen een fles champagne open.

Wat geen van de hoofdrolspelers dan nog weet, is dat die ‘vondst’ kort daarna in opspraak zal raken. Een klein jaar later moet het resultaat na heranalyse zelfs definitief van tafel. De achterliggende reden volgens een analyse van astronoom Brian Keating in zijn boek Losing the Nobel Prize: Bicep2 maakte te veel haast om de concurrentie voor te zijn en liet zich te veel bedwelmen door het zicht op een mogelijke Nobelprijs.

Nog een voorbeeld: de vaderlandse casus van quantumcomputeronderzoeker Leo Kouwenhoven, die bekend wordt doordat hij majoranaqubits heeft gebouwd, potentiële bouwstenen voor de toekomstige quantumcomputer. De belofte van die majorana’s is zodanig groot dat Microsoft hem in dienst neemt. In Delft bouwt het bedrijf vervolgens een hypermodern quantumcomputerlaboratorium voor hem dat koning Willem-Alexander in 2019 opent.

Maar dan blijkt het bewijs voor Kouwenhovens qubits plots gebaseerd op een fout in de analyse, zo ontdekken andere experts jaren na dato. Het artikel, verschenen in Nature, wordt teruggetrokken. Een integriteitscommissie van de TU Delft oordeelt later dat de onderzoekers zichzelf ‘voor de gek hebben gehouden’, maar dat er geen sprake was van fraude.

Het is de gemene deler tussen deze drie zaken, zegt Allan. ‘Elk geval verschilt op de details, maar bij allemaal speelt op de achtergrond de drang naar succes.’

Replicatiecrisis

Het doet denken aan de situatie in andere vakgebieden. In 2005 publiceerde onderzoeker John Ioannidis in het vakblad Plos Medicine een beroemd geworden onderzoek met de titel ‘Waarom de meeste gepubliceerde onderzoeksresultaten niet kloppen’. Wie een studie herhaalt, blijkt in de praktijk lang niet altijd dezelfde resultaten te krijgen. Oorzaak zijn weeffouten in de wetenschap: de druk om te veel en te haastig te publiceren, de wens om te scoren, het feit dat alleen onderzoeken die resultaat opleveren hun weg vinden naar een vakblad.

Tegelijk bleef een échte replicatiecrisis, zoals het probleem in onder meer de medische en sociale wetenschappen ging heten, de natuurkunde bespaard. Logisch, denkt fysicus en hoogleraar wetenschapscommunicatie Ivo van Vulpen van de Universiteit Leiden: ‘Wij hebben het veel makkelijker.’ Fysici kunnen namelijk een helder afgebakend experiment opzetten, terwijl onderzoekers in die andere disciplines hun resultaten moeten vissen uit een experimentele vijver waarin gedragspatronen en sociale verschillen het statistisch zicht op resultaten vertroebelen.

‘Heel veel natuurkunde-onderzoek gaat om dingen in een lab of aan een rekentafel die prima kunnen worden overgedaan’, zegt ook mathematisch fysicus Marcel Vonk van de Universiteit van Amsterdam. ‘Tegelijkertijd zijn er ook onderzoeken die zo uitgebreid, duur of complex zijn dat je ze niet makkelijk even op een vrije zondagmiddag overdoet’, zegt hij. Maar, vindt Vonk: dat is niet meteen een probleem. ‘Er zijn andere manieren waarop zulke resultaten gecontroleerd worden.’

In de natuurkunde vindt replicatie meestal vanzelf plaats, legt Van Vulpen uit. ‘Een los onderzoek is één stap, terwijl het einddoel vele stappen verder ligt. Dat zie je nu ook bij supergeleiding bij kamertemperatuur. Dan denken andere groepen: hé, misschien hebben zij wel de uitgang uit dit doolhof gevonden. Zodra je daarop voortborduurt, ontdek je het vanzelf als eerder onderzoek niet klopt.’

De deeltjesfysica waarin Van Vulpen werkt, organiseert replicatie vaak zelfs bij het experiment zelf. De Large Hadron Collider aan Cern is bijvoorbeeld zodanig duur dat je er geen tweede van wilt bouwen. Vandaar dat aan dezelfde versneller twee gelijksoortige experimenten huizen (Atlas en CMS). Pas wanneer beide experimenten iets zien, claimt men een vondst. ‘Dat doe je omdat je je bewust bent van de valkuilen in de wetenschap’, zegt Van Vulpen.

‘Echt een belangrijke stap’

De groep van Dias kwam deze maand met een nieuwe publicatie over supergeleiding bij kamertemperatuur. Opnieuw verscheen die in het prestigieuze Nature. En opnieuw reageren veel experts enthousiast, sommigen zelfs ronduit lyrisch.

‘Dit zal elk aspect van ons leven beïnvloeden op manieren die we nu nog niet kunnen bevatten’, zegt theoretisch chemicus Eva Zurek van de universiteit van Buffalo bijvoorbeeld tegen wetenschapssite Quanta Magazine. ‘Als dit klopt, is het de grootste doorbraak in de geschiedenis van het onderzoek naar supergeleiders. Het is een wereldschokkende, baanbrekende, zeer opwindende ontdekking’, oordeelt fysicus James Hamlin van de universiteit van Florida in hetzelfde stuk.

‘Dit is een heel bijzonder resultaat’, luidt het wat nuchterder oordeel van fysicus Anne de Visser van de Universiteit van Amsterdam, die zelf ook onderzoek doet naar supergeleiding. De Visser roemt bovenal dat de supergeleiding niet alleen bij kamertemperatuur (in dit geval een kleine 21 graden Celsius) plaatsvindt, maar ook bij een druk van ‘slechts’ 10 kilobar. Dat is naar aardse begrippen weliswaar duizelingwekkend veel – tienmaal meer dan op het diepste punt van onze oceanen – maar bij eerdere onderzoeken was nog miljoenen bar nodig. ‘Mijn gevoel is dat vervolgonderzoek de benodigde druk al snel verder zal verlagen.’

Allan, die benadrukt dat ook hij erg enthousiast is over de mogelijkheden van supergeleiding bij kamertemperatuur, beschrijft de reacties onder vakgenoten echter als gemengd. ‘Wat ik om me heen hoor, loopt uiteen van ‘dit resultaat is geweldig!’ tot ‘dit is het droevigste moment uit m’n carrière in de natuurkunde’.’

Wat je als buitenstaander niet ziet, zegt Allan, is dat maar een heel beperkt groepje natuurkundigen de resultaten van Dias écht kan doorgronden. ‘De groep van Dias werkt bij supergeleiders onder zeer hoge druk, zelf werk ik bijvoorbeeld aan supergeleiding bij veel lagere druk’, zegt hij. ‘Ik kan hun artikel daarom niet geheel op waarde schatten.’ Het tekent vooral hoe hyperspecialistisch veel van de moderne natuurkunde geworden is.

En dat terwijl de wetenschap juist sterk leunt op die beoordelingen van collega’s: de peer review. Komt de beoordelaar net niet uit het goede deelgebied van de fysica, dan neemt de diepgang van zo’n controle al meteen af. ‘Misschien verwachten we wel te veel van peer review’, zegt Dirk van der Marel van de universiteit van Genève, zelf hoofdredacteur van een vakblad over supergeleiding. ‘Echt alles controleren kost al snel maanden en een stuk reviewen is uiteindelijk toch vrijwilligerswerk.’

Dwangbevelen

Dat het vorige artikel van de groep van Dias door de mand viel, komt door het werk van Jorge Hirsch, van de universiteit van Californië. Hirsch gelooft überhaupt niet dat de resultaten mogelijk zijn en dook dus extra kritisch het stuk in. Later vroeg hij ook Van der Marel mee te kijken. Hun analyse publiceerden ze in een vakblad. ‘We vonden bewijs voor gesjoemel met de data’, zegt Van der Marel.

Wat volgde, verdiende geen schoonheidsprijs. Dias stuurde dwangbevelen naar de twee onderzoekers, en in de media en zelfs in vakartikelen wisselden Hirsch en Dias onvriendelijkheden uit. Bovendien werd de zaak steeds complexer. Er volgden nieuwe beschuldigingen van fraude gepleegd door Dias in eerder werk, terwijl intern onderzoek van de university van Rochester, waaraan Dias is verbonden, juist concludeerde dat voor wangedrag geen bewijs bestaat. ‘Je kunt iemand dan niet zomaar uit de wetenschap verbannen. Men mag gerust nog eens publiceren’, zegt Van der Marel.

Dias reageerde niet op een schriftelijk verzoek tot commentaar van de Volkskrant, maar liet eerder aan onder meer Quanta Magazine al weten dat hij nog altijd alle beschuldigingen tegenspreekt. Zijn meest recente artikel onderging bovendien een ongewoon zwaar proces van peer review en de groep heeft ditmaal direct alle ruwe data beschikbaar gemaakt. Dat dezelfde groep nog eens uit de bocht vliegt, ligt dan ook niet voor de hand, vindt Allan. ‘Waarom zou je het risico lopen dat je twee keer zo’n prominent artikel moet terugtrekken?’

De belangrijkste vraag is uiteindelijk hoe hard je als wetenschapper wordt gestraft wanneer je vals speelt. Van Vulpen denkt dat collega’s elkaar eerlijk houden en dat de enkeling die fraudeert altijd door de mand valt. ‘Als mensen doorhebben dat je sjoemelt, kun je fluiten naar die Nobelprijs. Plus: ik denk dat collega’s die in de beoordelingscommissies voor beursaanvragen zitten ook zullen denken: nou vriend, jij misschien dit keer even niet. In de wetenschap is reputatie heel belangrijk.’

Vreemd genoeg, zegt Van Vulpen, zijn dit soort zaken eigenlijk juist hoopvol. ‘Ze bewijzen dat het systeem werkt’, zegt hij. Het mag dan af en toe piepen en kraken, met hoogoplopende ruzies, gebroken reputaties en teruggetrokken artikelen tot gevolg, maar zolang fouten gevonden en gecorrigeerd worden, gaat het onder de streep nog goed.