Wetenschap theoretisch fysici

Parallelle universums, tijdmachines: zijn theoretisch fysici de weg kwijt?

Van parallelle werkelijkheden tot wonderbaarlijke tijdmachines: sommige natuurkundigen vragen zich af of ze de geestverruimende ideeën van hun theoretische collega’s nog serieus moeten nemen.

Volgens sommige theoretisch fysici bestaat er niet één universum, maar zijn er verschillende werkelijkheden die - onzichtbaar - naast elkaar bestaan. Complete werelden waarin andere versies van ons leven. Mogelijk is er zélfs een waarin de appel van Newton nooit viel, en de theoretische natuurkunde daarom niet bestaat. Beeld Van Santen & Bolleurs

Als je ruimte en tijd op een handige manier buigt, kun je een tijdmachine bouwen waarmee je naar het verleden kunt reizen. In een parallelle wereld, op onbekende afstand bij ons vandaan, leiden andere versies van ons een nét iets ander leven. En o ja: alles dat je om je heen ziet is niet echt, maar onderdeel van een geraffineerd hologram.

Het is zomaar een greep uit de bizarre, geestverruimende ideeën waarmee theoretisch natuurkundigen de afgelopen jaren op de proppen kwamen. Het lijkt soms wel, vrij naar Asterix en Obelix, alsof theoretici toen ze jong waren in een volle ketel met psychedelica zijn gevallen.

Sommige natuurkundigen vragen zich af of dergelijke ideeën geen luchtspiegelingen zijn. Of we geen bakken vol geld en onderzoekstijd steken in pure onzin. De kern van hun kritiek: dit soort ideeën zijn nog nooit in een experiment gecontroleerd.

Dat wil overigens niet zeggen dat theoretisch natuurkundigen ze zomaar tevoorschijn toveren uit de ijle lucht. Elk concept dat ze op papier zetten, meestal in bloedserieuze academische vakbladen, is gestut met wiskundige formules. Die formules zijn hét gereedschap dat fysici sinds jaar en dag gebruiken om het gedrag van de werkelijkheid te beschrijven.

De beroemde 17de-eeuwse natuurkundige Isaac Newton was een van de eersten die zich realiseerde dat wiskunde een handig hulpmiddel kan zijn bij het beschrijven van de wereld om ons heen. Hij legde met zijn werk de basis voor wat tegenwoordig de ‘klassieke mechanica’ heet – een set rekenregels waarmee je het gedrag van de alledaagse wereld kunt voorspellen. Wie wil weten wat er gebeurt wanneer je tegen een voetbal schopt of wanneer je een raket lanceert, hoeft alleen die formules in te vullen en vindt het antwoord.

Fast forward naar nu, en fysici hebben, met de wiskunde in hun achterzak, een bont bouwwerk van theorieën gefabriceerd. Het bekendste voorbeeld is de snaartheorie, die veertig jaar geleden het toneel betrad als een kandidaat voor ‘de theorie van alles’, een theorie die alle bekende natuurkunde in één wiskundige beschrijving vangt. Het moest de weg zijn naar een allesomvattend begrip van de werkelijkheid, gebouwd op het idee dat de meest basale bouwblokjes van alles om ons heen geen deeltjes zijn, maar minuscule trillende snaartjes. De snaartheorie is nog altijd onbewezen. Niemand weet of de snaartjes echt bestaan of slechts een wiskundig fata morgana zijn.

Een van de bekendste critici is de Duitse theoretisch natuurkundige Sabine Hossenfelder van het Frankfurt Institute for Advanced Studies. Zij schreef vorig jaar het boek Lost In Math, met de ondertitel ‘hoe schoonheid de fysica op een dwaalspoor brengt’. Daarin trekt ze fel van leer tegen het idee dat wiskunde die op papier mooi oogt ook de werkelijkheid beschrijft. De snaartheorie kan nog zo elegant zijn, betoogt ze, je hebt er pas wat aan als je kunt bevestigen dat de wereld haar wetten ook echt volgt.

Making of: Deze foto laat zien hoe Van Santen en Bolleurs de foto hierboven hebben gemaakt. Beeld Van Santen en Bolleurs

Volgens haar zijn theoretici sinds de eerste opvolgers van Newton het spoor bijster geraakt. Die gebruikten de wiskunde ook al om conclusies te trekken die voorbijgingen aan de grenzen van de menselijke intuïtie, maar de ideeën die dat opleverde werden wel experimenteel getoetst.

Albert Einstein lanceerde in 1915 bijvoorbeeld zijn relativiteitstheorie, die laat zien dat ruimte en tijd kunnen krommen. Toch werd Einstein pas wereldberoemd toen bleek dat hij gelijk had. Nadat Arthur Eddington tijdens een experiment in 1919 had gezien dat de relativiteitstheorie correct voorspelde hoe het licht van verre sterren door de zon wordt afgebogen, werden Einsteins ideeën gemeengoed.

In grofweg dezelfde periode kwam ook de quantumfysica op, een theorie vol geestverruimende ideeën, zoals deeltjes die op meerdere plaatsen tegelijk kunnen zijn. Die ideeën werden in experimenten bevestigd. Sterker nog: de theorieën leidden zelfs tot concrete apparaten, zoals de mobiele telefoon – onmogelijk zonder quantumfysica – en de gps-satelliet, die relativiteitstheorie gebruikt bij zijn positiebepaling. Maar een apparaat dat draait op snaartheorie, bestaat nog altijd niet.

‘Ik heb veel reacties gehad van natuurkundigen die blij zijn dat iemand eindelijk eens zegt dat sommige theoretici alleen maar wiskundige fictie produceren die je niet kunt controleren’, zegt Hossenfelder. ‘Ook krijg ik mails van mensen die het vakgebied juist om die reden hebben verlaten. Van de mensen in het veld heb ik niets gehoord.’

Hossenfelder staat in haar kritiek niet alleen. Ook Avi Loeb, hoofd sterrenkunde bij Harvard, kan zich behoorlijk boos maken over de toestand van de theoretische natuurkunde. ‘Snaartheorie heeft al veertig jaar geen enkel resultaat opgeleverd dat je in een experiment kunt controleren. Ze dromen maar raak over zaken als parallelle universa en andere oncontroleerbare ideeën’, zegt hij.

Het zit Loeb vooral dwars dat het in de huidige theoretische fysica helemaal geen probleem lijkt te zijn dat ideeën niet meer gecontroleerd kunnen worden. ‘Het kan ze gewoon niks schelen! Ze geven elkaar prijzen, delen de eer, doen alsof hun werk het absolute voorfront van de natuurkunde vormt, terwijl niemand zeker weet of ze een zinnige bijdrage leveren’, zegt hij.

Ook Hossenfelder vermoedt dat theoretici vooral hun eigen hachje willen redden en zo veel mogelijk willen publiceren – de levensader van elke wetenschapper. ‘Er zit geen diepere motivatie achter. Ze willen gewoon succes hebben. En dat kunnen we niet tegenhouden. Vakbladen vragen voor een publicatie advies aan vakgenoten uit hetzelfde werkveld. Die mensen houden elkaar de hand boven het hoofd.’

Het leidt tot een vakgebied, stelt Hossenfelder, dat er van een afstandje heel succesvol uitziet, maar waar weinig van overblijft wanneer je erop inzoomt. ‘Ze publiceren, ze houden conferenties, maar ze boeken totaal geen wetenschappelijke vooruitgang. Dat is een enorme verspilling van geld én van talent. Dit zijn intelligente mensen die hun tijd beter kunnen besteden aan echte problemen dan aan zaken die niemand ooit zal kunnen meten.’

De Nederlandse theoretisch natuurkundige Robbert Dijkgraaf, directeur van het vermaarde Institute for Advanced Study in Princeton, Verenigde Staten, eens de thuisbasis van Einstein zelf, begrijpt weinig van die kritiek. ‘We hebben geen behoefte aan een gedachtenpolitie die bepaalt welke ideeën we wel en niet mogen hebben’, zegt hij. Volgens hem is vrij nadenken over de grote problemen in de natuurkunde, gesteund door de wiskunde, juist de sleutel tot nieuwe kennis.

‘Op een gegeven moment kan je geest het niet meer bijbenen, maar wiskundige structuren kun je doortekenen’, zegt hij. Einsteins theorie is daarvan misschien wel het beste voorbeeld. ‘Als je die wiskundig doortrekt, kom je op krankzinnige dingen als de oerknal en het bestaan van zwarte gaten.’

Dergelijke ideeën waren zo vreemd dat zelfs Einstein er oorspronkelijk niet echt in geloofde. ‘Dat laat wel zien hoe moeilijk het is als je alleen blijft varen op je intuïtie en voorstellingsvermogen’, zegt Dijkgraaf. ‘Dan blijf je toch een beetje houtje-touwtjefysica doen.’

Natuurlijk, geeft ook hij toe, zijn de ideeën uit de theoretische natuurkunde wel erg moeilijk te bevestigen in experimenten. ‘We proberen steeds verder het heelal in te kijken, steeds dieper terug in de tijd, steeds dichter in de kern van materie. We graven naar dingen heel ver buiten onze alledaagse intuïtie. Experimenten die kunnen controleren of je ideeën kloppen worden daardoor steeds duurder en ingewikkelder. Dat is een feit.’

Het doen van ontdekkingen is een kwestie van een lange adem geworden. Kijk bijvoorbeeld naar Peter Higgs en François Englert, die zo’n vijftig jaar moesten wachten voordat het door hen voorspelde higgsdeeltje opdook in de large hadron collider bij Cern.

‘We kunnen in de theoretische fysica eindeloos treuren dat een deeltje nog niet is gevonden, maar zodra het lukt, is alles ook in één klap anders. Dan haalt het de journaals, de voorpagina’s van alle kranten. Het werkt bij ons anders dan in andere vakgebieden waarin je kleine stapjes vooruit zet. Hier heb je periodes lang niets en dan ineens die grote klapper, die 10 op de schaal van Richter.’

Uit welke bouwsteentjes bestaat de werkelijkheid? Wie ver genoeg inzoomt, ontdekt op het allerkleinste niveau geen legosteentjes of bouwblokjes maar een complexe kluwen trillende snaren, zo stellen aanhangers van de snaartheorie. Die theorie is de meest recente verschijningsvorm van onze pogingen om de wereld te beschrijven met wiskunde, een trend die begon toen Newton het gedrag van vallende appels - en andere alledaagse voorwerpen - in formules wist te vangen. Beeld Van Santen & Bolleurs
Making of: Deze foto laat zien hoe Van Santen en Bolleurs de foto hierboven hebben gemaakt. Beeld Van Santen en Bolleurs

De metingen van het higgsdeeltje laten bovendien zien dat theorie en experiment heus wel contact hebben. De Argentijnse theoretisch natuurkundige Juan Martín Maldacena maakt zich daarom geen zorgen. Hij werkt aan hetzelfde instituut als Dijkgraaf en won eerder dit jaar nog de zogeheten Lorentz-medaille, de hoogste Nederlandse prijs in de theoretische natuurkunde. ‘Er zijn altijd mensen die dichter bij het experiment staan en mensen die daar verder vanaf staan’, zegt Maldacena. ‘Maar zolang er communicatie is tussen al die mensen, een ketting die theorie met experiment verbindt, is er volgens mij niets aan de hand.’ En die ketting bestaat, stelt hij. ‘Informatie loopt beide richtingen uit. Mensen gebruiken theoretische ideeën als inspiratie voor experimenten, en theoretici gebruiken uitkomsten van experimenten als inspiratie voor nieuwe theorieën.’

Volgens critici als Hossenfelder is die ketting zo lang geworden dat sommige van haar vakgenoten de weg compleet kwijt zijn. Maar, geeft ze toe: hoe het dan wel moet, weet ze eigenlijk ook niet. ‘Er bestaat geen goede manier om te bepalen hoeveel speculatie te veel is’, zegt zij. ‘Ik hoop wel dat fysici eens een eerlijke discussie voeren over de vraag of hun onderzoek nog wel ergens toe leidt.’ Op dit moment, zegt ze, is voor dat soort zelfreflectie weinig ruimte.

Loeb doet het vooral aan Charles Ponzi denken, de bedenker van het piramidespel. ‘Ik rij elke dag naar werk langs zijn huis. Zijn idee was prachtig: als je mij je geld geeft, geef ik je er meer voor terug. Totdat mensen in groten getale dat geld gingen terugvragen, het niet bleek te werken en Ponzi in de gevangenis belandde. Ik zie experimenten als de manier om te controleren of een theorie geen piramidespel is.’

Hij stelt daarom een soort hippocratische eed voor natuurkundigen voor, geïnspireerd op de eed die artsen afleggen, waarin fysici moeten zweren dat tenminste één idee waar ze aan werken nog tijdens hun leven experimenteel bevestigd kan worden. ‘Als dat lukt wil ik ze met plezier weer natuurkundigen noemen. Tot die tijd zeggen hun ideeën volgens mij niets over de werkelijkheid.’

Dijkgraaf geeft toe dat zijn vakgebied soms meer op wiskunde lijkt dan op experimentele natuurkunde. ‘Maar er is natuurlijk geen wet die zegt dat alle wetenschappelijke vooruitgang moet gebeuren binnen een termijn die gedefinieerd wordt door de menselijke levensduur of de duur van een wetenschappelijke carrière’, zegt hij. Hij wijst opnieuw naar Einstein. ‘De bevestigingen van de spectaculairste, meest bizarre voorspellingen van zijn theorie – het experimentele bewijs van de oerknal, de meting van zwaartekrachtgolven – lieten ook honderd jaar op zich wachten. Dat heeft hij zelf niet meer meegemaakt.’

En dus is het misschien niet zo erg als uit de snaartheorie ineens het concept van holografie komt rollen, waarin de werkelijkheid een soort hologram blijkt, een heelal dat een projectie is van een meer fundamentele werkelijkheid. ‘Het is juist belangrijk dat we durven denken en blijven dromen’, zegt Dijkgraaf. ‘Als we iets nodig hebben, zijn het wel gekke ideeën.’

Van theorie naar experiment

Algemene relativiteitstheorie

Theorie: 1915, Albert Einstein

Concept: Ruimte en tijd kunnen krommen

Experiment: 1919, Arthur Eddington (en vele anderen daarna)

Status: bevestigd

Ether

Theorie: 17de eeuw, (o.a.) Isaac Newton

Concept: Licht verplaatst zich door een medium, net als geluid zich door lucht verplaatst

Experiment: Michelson-Morley experiment, 1887. Vond geen bewijs voor het bestaan van ehter.

Status: weerlegd

Snaartheorie

Theorie: Jaren zestig, verschillende natuurkundigen

Concept: alles om ons heen bestaat niet uit deeltjes, maar uit kleine trillende snaartjes

Experiment: Nog niet gedaan

Status: onbekend

Achteraf aanpassen

Volgens theoretisch natuurkundige Neil Turok, tot afgelopen februari directeur van het Canadese Perimeter Institute for Theoretical Physics, is het belangrijkste probleem met theorieën zoals de snaartheorie dat ze te veel spreekwoordelijke knoppen hebben waar je aan kunt draaien. ‘Dat betekent dat wat er ook uit experimenten blijkt, je altijd de theorie erop kunt aanpassen’, zegt hij. Dat is toch een beetje valsspelen. ‘Je weet dan nooit of die theorie echt klopt.’

Robbert Dijkgraaf (Institute for Advanced Study) herkent die kritiek. ‘Dat bijvoorbeeld snaartheorie zoveel gedaanten kan aannemen is bijzonder raadselachtig. Het betekent dat we de theorie nog niet zo goed begrijpen. Tegelijkertijd is het ook de kracht. De theorie is zo veelzijdig dat je hem in allerlei hoeken van de natuurkunde kunt toepassen. Van mensen die rekenen aan de oerknal, tot mensen die zich buigen over quantummaterialen. Dat laat zien dat het een krachtig wiskundig gereedschap is om natuurkundige verschijnselen te begrijpen.’

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden