Fysici doen ultranauwkeurige bepaling van het ‘magische getal’ waarop de werkelijkheid rust

Nee, ‘42’ is het niet. Met dat bizarre antwoord komt supercomputer Deep Thought in een beroemd geworden scène uit sciencefictionklassieker The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy op de proppen wanneer hem gevraagd wordt naar ‘het antwoord op de vraag over leven, het universum en alles’.

Toch had dat best gekund. Want hoewel de zogenoemde fijnstructuurconstante nét iets minder alomvattend is dan ‘die ene vraag’, scheelt het ook weer niet zo veel. 

‘Een heelal waar deze constante een andere waarde heeft, zou er waarschijnlijk totaal anders uit zien’, zegt fysicus Saïda Guellati-Khélifa, hoofdauteur van een artikel in vakblad Nature waarin ze samen met collega’s de meest nauwkeurige waarde presenteert van de onder fysici wereldberoemde constante.

Voer voor cijferfetisjisten

In haar lab aan de Université Pierre et Marie Curie in Parijs bepaalde ze met een nauwkeurigheid van 9 cijfers achter de komma dat α, zoals fysici de constante in hun formules noemen, een waarde heeft van – adem in – één gedeeld door 137,035999206.

Voer voor cijferfetisjisten, maar verder niet erg relevant? Nou, daarvoor speelt α in de moderne natuurkunde een te grote rol. Zo bepaalt de constante hoe licht zich door een ruimte verplaatst en hoe sterk de elektromagnetische kracht is, de kracht die magneetjes aan je koelkastdeur plakt. 

Omdat α zo klein is, is die kracht relatief zwak. Dat betekent onder meer dat de (negatief geladen) elektronen die als wolken om de (positief geladen) kernen van atomen dansen niet met een daverende klap naar beneden storten. Iets dat ertoe zou leiden dat de materie in alles, van onze lijven tot de nevels en sterren in de diepe kosmos, spontaan zou verkruimelen.

‘De fijnstructuurconstante is in de natuurkunde alomtegenwoordig’, zegt Guellati-Khélifa. ‘De waarde nauwkeurig bepalen dient daarom óók als stresstest voor veel van onze natuurwetten.’

26 constanten

Toch is de fijnstructuurconstante slechts één van meerdere fundamentele natuurconstanten die fysici kennen. ‘In totaal zijn het er waarschijnlijk zo’n 26’, zegt Piet Mulders, verbonden aan nationaal natuurkunde-instituut Nikhef. Samen bepalen ze hoe het standaardmodel van de deeltjesfysica eruitziet, het model dat alle bekende deeltjes  (de kleinste bouwsteentjes van alles om ons heen) en hun onderlinge interacties vangt in één overkoepelende wiskundige beschrijving. ‘De massa’s van de bekende deeltjes, de kracht van het higgsveld, de energie die schuilt in de lege ruimte – het zijn allemaal waarden die het heelal voor ons heeft bepaald’, zegt hij.

Van die getallen snappen fysici overigens niet waaróm ze die waarde hebben. Maar als ze ook maar een heel klein beetje anders waren, zou de werkelijkheid om ons heen met existentieel gekraak en gepiep tot stilstand komen. Draai aan de verkeerde knoppen en je kunt bijvoorbeeld de zwaartekracht zó zwak maken dat sterrenstelsels zichzelf uit elkaar zwiepen, de aarde zich losmaakt van de zon en – als we écht pech hebben – mensen van de aarde geslingerd worden als druppels water uit een slacentrifuge. 

Belangrijk dus, al die constanten, vindt ook Guellati-Khélifa. Toch is de fijnstructuurconstante voor haar het speciaalst. ‘Veel constanten druk je uit in eenheden’, zegt ze. De massa van het proton, bijvoorbeeld, kun je opschrijven in kilogrammen (1,672.623.1 × 10⁻²⁷ kg), maar ook in zogeheten elektronvolts (938 MeV/c2), zoals in de deeltjesfysica gebruikelijker is. Natuurkundig betekent dat precies hetzelfde, maar het getalletje dat je opschrijft is ineens anders. ‘Voor α en een aantal andere constanten gaat dat niet op’, zegt Guellati-Khélifa. Die zijn dimensieloos en dus eeuwig. Altijd en overal hetzelfde. En voor een getalsromanticus is dat wel zo lekker.

Enorm veel geduld

Al 22 jaar is Guellati-Khélifa bezig met het steeds nauwkeuriger bepalen van de constante. ‘Dat betekent natuurlijk niet dat ik ook 22 jaar aan het meten ben geweest, maar wel dat ik steeds preciezere instrumenten heb gebouwd, betere experimentele technieken heb ontwikkeld en stukje bij beetje de natuurkundige fenomenen die onder ons experiment schuilen heb leren doorgronden’, zegt ze. Met de nieuwe bepaling – driemaal nauwkeuriger dan de meting die haar Amerikaanse concurrenten in 2018 deden – als voorlopig hoogtepunt.

Bewonderenswaardig, noemt Mulders het resultaat. ‘Voor deze meting moet je echt enorm veel geduld kunnen opbrengen. En dat terwijl je weet dat je bakken kritiek kunt verwachten als er ook maar één detail in de uitvoering niet klopt.’

Draaiing van de aarde

Het experiment van Guellati-Khélifa en collega’s brengt de fijnstructuurconstante in kaart door de klap te meten die een rubidiumatoom krijgt wanneer deze een foton, een lichtdeeltje, absorbeert. De kracht van die klap kun je – met wat rekenwerk – vertalen naar α. 

Dat is zo’n gevoelig klusje dat de onderzoekers in hun vakartikel een foutentabel introduceren waarbij ze rekening houden met alles van de invloed van zwaartekracht tot de minuscule impact op het experiment die het draaien van de aarde om haar eigen as heeft.

Onder aan de streep levert al dat monnikenwerk Guellati-Khélifa en collega’s niet alleen een nieuw record op, maar ook vers inzicht in de kleinste details van onze natuurwetten. Zo zegt de fijnstructuurconstante iets over het bestaan van deeltjes die de oorzaak zouden kunnen zijn van donkere materie – een in groten getale in de kosmos aanwezig mysterieus ‘spul’ dat fysici tot nog toe alleen indirect, door de invloed van zijn zwaartekracht, hebben ‘gezien’.

Voorlopig volgt de meting nog altijd keurig de voorspellingen van het standaardmodel. Als zich in de kleinste hoekjes en kiertjes van de werkelijkheid nog onbekende zaken verschuilen, heeft haar experiment ze nog niet blootgelegd. ‘Maar als we straks een nóg nauwkeuriger bepaling doen, zullen we misschien alsnog een glimp van nieuwe natuurkunde opvangen’, zegt ze vastberaden. Zelfs na 22 jaar is haar zoektocht naar de ultieme meting van het magische getal waarop onze werkelijkheid rust, nog altijd niet ten einde.