Interview Frank Wilczek

Voor Nobelprijswinnaar Frank Wilczek is de lege ruimte niet niets

Frank Wilczek, won in 2004 de nobelprijs voor de Natuurkunde. Gefotografeerd op de universiteit van Boston. Beeld Amy Lombard.

Collega-natuurkundigen dromen over een Theorie van Alles. Frank Wilczek zoekt een Theorie van Niets. Waarin de lege ruimte juist niet niks is. De Nobelprijswinnaar legt uit. 

Stel je voor dat je een vis bent, zegt Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in zijn koele werkkamer op het Alba Nova universiteitscentrum in een smoorheet zomers Stockholm. Een kleine kamer met een groot raam aan het eind van een oneindig lange gang, ver weg van de universitaire drukte. Uitzicht op een meer, zeilbootjes. In het bos aan de overkant ligt volgens de stadsplattegrond de koninklijke begraafplaats.

Eh, een vis?

Theoretisch natuurkundige Wilczek (New York 1951, Pools-Italiaanse ouders) is voor het gesprek in zijn gemakkelijke lage stoel gaan zitten. Een kleine, olijke Amerikaan met een glimmende schedel en grote bergschoenen, een batterij pennen en stiften schrijfklaar in de borstzak van zijn losse blouse.

Naast hem een schaaltje zomerfruit. Aardbeien. Bosbessen. Een appel. Zijn Iraanse assistent zet een karaf water neer met twee glazen en doet dan de deur geruisloos weer dicht.

Denk je dus even in, herneemt Wilczek haast fluisterend, dat je een vis bent. ‘Weet je dan dat er water is? Ik vermoed van niet. Je ervaart het als de ruimte waarin je nu eenmaal leeft. Maar dat water kan bevriezen, koken, stromen, kolken, druk uitoefenen, geluid geleiden, warmte, elektriciteit, licht breken, weerstand geven en drijfvermogen. Het water dirigeert het bestaan.’

Een heel intelligente vis, gaat Wilczek verder, zou dat allemaal kunnen ontdekken en gaandeweg moeten concluderen dat zijn ruimte dus helemaal niet zo leeg is, maar eigenlijk een materiaal. Een materiaal dat de vissenwereld beheerst. Een materiaal dat wij mensen water noemen.

En precies dat, zegt Wilczek met de giechel die veel van zijn uiteenzettingen besluit, zou ook voor ons kunnen opgaan. ‘Wat we van nature als lege ruimte zien, het vacuüm, is als je er diep genoeg over nadenkt ook een materiaal. Met belangrijke eigenschappen.’

Frank Wilczek kreeg in 2004 de Nobelprijs voor Natuurkunde, samen met zijn leermeester David Gross en collega David Politzer, voor het doorgronden van de zogenoemde sterke kernkracht, de aantrekking die de quarks binnen kerndeeltjes zoals protonen bij elkaar houdt. Onafscheidelijk.

Die bindingskracht was theoretisch lange tijd een volslagen raadsel. Anders dan bijvoorbeeld de zwaartekracht neemt hij op afstand namelijk niet af maar juist toe. Hoe dat kan, wist niemand, tot de drie begin jaren zeventig de juiste mathematische formuleringen afleidden. Wilczek was toen 21 jaar jong en meer een wiskundige dan een fysicus.

‘Ik was pas een jaar ervoor naar de natuurkunde overgestapt en wist er haast niks van. Achteraf gezien is dat gunstig geweest. Theoretici als Gerard ’t Hooft en anderen maakten zich in die tijd te veel zorgen over de fysische details en zagen vooral de beren op de weg. Wij rekenden gewoon en hadden natuurlijk wel het geluk dat we ook de juiste theorie bleken te hebben.’

Er wordt wel gezegd dat ’t Hooft die Nobelprijs in 2004 ook had kunnen winnen, zijn tweede na die van 1999 samen met Veltman.

‘Gerard had de ideeën en het theoretische gereedschap zeker bij elkaar, maar feit blijft dat hij de berekening niet deed en wij wel. Hij deed andere dingen en kreeg daar volkomen terecht een Nobelprijs voor.’

U houdt de laatste jaren geregeld lezingen over wat u noemt het vacuüm als een materiaal. Dat klinkt raadselachtig. Hoe kan lege ruimte toch een materiaal zijn?

‘Een vacuüm bevat geen materie, maar de ruimte kan best allerlei eigenschappen hebben. We zijn geneigd te denken dat dat niks is als het leeg is. Maar leegte is niet hetzelfde als niks.’

Niet voor een theoretisch fysicus in elk geval.

‘Misschien zijn de mensen wel een beetje gewend aan Einstein. Einstein bouwde zijn relativiteitstheorie op de ruimtetijd, waarin ruimte en tijd een geheel vormen in vier dimensies. De kromming van die ruimtetijd is wat wij zwaartekracht noemen. Dus wat voor Newton nog een raadselachtige aantrekking op afstand was, blijkt in feite een eigenschap van ons universum zelf, als je maar beter kijkt. Of beter nadenkt, eigenlijk.’

Maar ruimtetijd is geen materiaal. Sterker nog, Einstein zette zich fel af tegen het idee van de zogeheten ether, een onvoelbaar spul dat lang werd gezien als een soort vloeistof die licht door de lege ruimte geleidde.

‘In 1905, bij zijn relativiteitstheorie wel. Hij had de ether niet nodig in zijn vergelijkingen, dus gooide hij het idee overboord. In 1915 realiseerde hij zich bij zijn zwaartekrachttheorie echter dat zijn ruimtetijd toch ook een soort ether was. Een materiaal dat je kunt verbuigen, verwringen, laten trillen. De zwaartekrachtgolven die we sinds kort kunnen meten tonen dat nog maar eens aan.’

De meeste natuurkundigen worden behoorlijk nerveus van etherachtige ideeën. Beetje ouderwets, vinden ze.

‘Het klassieke idee van een ontastbare vloeistof in de lege ruimte is inderdaad achterhaald. Einstein zei het nadrukkelijk: we kunnen zonder. Voor zijn relativiteitstheorie klopt dat, daar komt geen ether aan te pas. Eigenlijk nadrukkelijk niet, zelfs. En dus is dat wat de meeste mensen onthouden, dat er niks is.’

Maar dat idee van ether kwam toch bij James Clerk Maxwell vandaan, die zich eind 19de eeuw realiseerde dat licht een elektromagnetische golf is? Wat er dan golfde, was toch geen onlogische vraag?

‘Maxwell gebruikte de voorstelling van een golvende vloeistof om wijs te worden uit zijn vergelijkingen. Maar toen dat gelukt was, liet hij het idee ook weer gewoon los. De ether komt in zijn vergelijkingen niet voor.’

En in de uwe?

‘Geen klassieke ether. Maar op een andere manier is in de moderne natuurkunde het universum wel degelijk doortrokken van invloeden. Het higgsveld is er het bekendste voorbeeld van, een universele invloed die deeltjes hun specifieke massa geeft. Dat veld is overal. En het bestaat, want als je hard genoeg deeltjes tegen elkaar slaat, ontstaat heel even het higgsdeeltje dat op Cern is ontdekt. Als een vis die uit het water omhoog springt.’

Frank Wilczek, won in 2004 de nobelprijs voor de Natuurkunde. Gefotografeerd op de universiteit van Boston. Beeld Amy Lombard.

Mooi beeld, van zo’n opspringende goudvis die pas in de lucht begrijpt dat hij in niet in lege ruimte leeft maar in water.

‘Een materiaal dus. Het higgsdeeltje leert ons dat de lege ruimte niet niks is. En zo zijn er meer vacuümtoestanden waarin de natuurwetten verankerd zijn.’

Peter Higgs, een van de theoretici die dat veld verzonnen en de naamgever ervan, leende veel uit de natuurkunde van de vaste stoffen, van supergeleiders. U vindt dat geen toeval geloof ik?

‘Integendeel. Er zijn fundamentele parallellen tussen de theorie van vaste stoffen en de theorie van de bouwstenen van het universum. In vaste stoffen, kristallen bijvoorbeeld, kunnen golven optreden die zich precies gedragen als deeltjes, zogeheten fononen. Dat lijkt behoorlijk op fotonen, lichtdeeltjes die met een elektromagnetisch veld samenhangen. Of bijvoorbeeld wat de snaartheorie over de deeltjes zegt: deeltjes zijn uitingen van een diepere wereld die uit trillende snaartjes bestaat. Er zijn niet deeltjes en de ruimte waarin ze bewegen, het is één geheel.’

Onzichtbare snaartjes in tien dimensies. Is dat dan het spul waaruit de leegte is gebouwd? Het materiaal van het vacuüm?

‘Dat er op het allerkleinste niveau van alles gebeurt weten we zelfs uit experimenten. De lege ruimte is op die schaal een bruisend geheel van deeltjes en antideeltjes die opduiken en weer verdwijnen, puur omdat de wetten van de quantumtheorie toelaten dat niets af en toe even iets wordt.’

Ik stel me dat altijd voor als een bruisend schuim.

Quantum foam noemde Wheeler dat. En het grappige is dat het eigenlijk ook een intuïtieve verklaring voor onze sterke kernkracht geeft. Dat is een kracht die op de allerkleinste schalen speelt. En waarbij het voor quarks moeilijk is om ver van elkaar te raken. Alsof de omringende mêlee dat verhindert. Het materiële van de lege ruimte is daar cruciaal, kun je zeggen. In feite hadden we onze sommen niet eens hoeven te maken, destijds.’

De meeste theoretici hebben het toch vooral over wat er wél is, wat we wél zien en meten. In de hoop om ooit een Theorie van Alles te kunnen afleiden. De focus is dus op materie, niet op het vacuüm.

‘Ik heb om te beginnen een gruwelijke hekel aan de term Theorie van Alles, omdat het suggereert dat je een formule vindt waaruit je alles verklaart, van een springende kikker tot het ontstaan van het heelal. Maar zelfs als je zegt dat het om één theorie voor alle natuurkrachten gaat, moeten we ons niet blindstaren op wat we zien. Het is weer de vis en zijn water: we moeten eruit springen. In ons geval door goed na te denken en veel te rekenen.’

Ik kan me voorstellen dat veel mensen u wat glazig aankijken als u zegt dat we beter moeten nadenken over de lege ruimte.

‘O zeker, maar ik denk toch dat het een goed verhaal is. Wetenschap die inzicht geeft, die verder gaat dan wat we al begrijpen. En grappig genoeg is mijn werk op dit terrein ook weer interessant voor de theorie van de vaste stoffen, van halfgeleiders en geleiders tot allerlei exotische effecten die voor de elektronica of quantumcomputers zomaar eens cruciaal kunnen blijken. Er zijn zelfs relaties te leggen met het brein en bewustzijn.’

Bewustzijn?

‘Net als vacuüm in eerste aanleg nogal saai lijkt, kun je ook zeggen dat hersenen er niet interessant uitzien. Maar in het collectief gebeurt iets bijzonders. Als ik nu zou gaan studeren, zou ik de neurowetenschappen kiezen. Vroeger was dat haast filosofie, zo vaag, maar nu is het een exacte wetenschap geworden.’

Frank Wilczek, won in 2004 de nobelprijs voor de Natuurkunde. Gefotografeerd op de universiteit van Boston. Beeld Amy Lombard.

Gewoon doen, als Nobelprijswinnaar bent u vrij toch?

‘Hmm, ik heb als theoretisch natuurkundige verantwoordelijkheden en verplichtingen om mijn werk te verdedigen en uit te dragen, er zijn studenten, post-docs, collega’s, journalisten, mijn column in de Washington Post, boeken. Het gaat er niet meer van komen, denk ik. Niet serieus.’

Stel dat we de lege ruimte inderdaad als een materiaal gaan zien, zoals het water voor een vis. Kan dat materiaal dan ook koken, bevriezen, stromen?

‘Bijvoorbeeld in de kosmologie zijn daar zeker gedachten over. Zo is er de beroemde kosmische inflatie, waarmee het universum in de eerste oogwenk van zijn bestaan van haast niks naar biljoenen van biljoenen malen zo groot ging. Een fase-overgang, het heelal kookte over. Dat verklaart bijvoorbeeld waarom het heelal er zo ongelofelijk uniform uitziet, afgezien van wat sterretjes en stof.’

De lege ruimte zelf kookte over?

‘Zoiets. Natuurkundigen denken dan meer aan een toestand van het vacuüm die niet stabiel is, en vervolgens een stabielere situatie zoekt en onderweg heel veel energie vrijmaakt. In het geval van het higgsveld kun je je dat voorstellen als een grote Mexicaanse hoed met een knikker op de top. Er komt een moment dat die knikker omlaag rolt naar de rand. Welke kant precies is toeval, dat het gebeurt onvermijdelijk.’

Ik stel me dat altijd voor als een parachutist die in een boom landt. Eerst hangt hij aan een tak, dan scheurt het doek en schiet hij verder omlaag, blijft weer hangen, valt opeens nog verder. 

‘En de kunst van de natuurkunde is, om uit een min of meer willekeurige eindtoestand die we om ons heen zien te bedenken hoe die boom eruit ziet. Dat is dan de essentie van het universum, die boom, of die Mexicaanse hoed. De structuur van het niets.’

Een universum uit het niets, uw goede vriend, de schrijver Lawrence Krauss van de Universiteit van Arizona, schreef er een heel boek over. Eerst was er niets en dat explodeerde.

‘Haha, ja. Laten we zeggen dat Lawrence die kreet van mij heeft geleend, het is de titel van een artikel van me in Scientific American over dit soort ideeën en theorieën.’

Krauss is een fel atheïst, die concludeert dat een Schepper nergens goed voor is. Het niets volstaat ruimschoots. Hoe moet ik uw focus op niets wat dat betreft opvatten?

Mensen noemen me atheïst, maar ik ben geen vakidioot. Natuurkunde geeft een manier van kijken naar de werkelijkheid die me bevalt en vanzelf, haast fysiek afgaat. Ik voel waar oplossingen zitten. Maar natuurlijk denk ik niet alleen aan quarks en kernkrachten als ik iemand spreek of hier uit het raam staar of naar Mozart luister. Het echte leven is te interessant om alleen aan de natuurkunde over te laten.’

Frank Wilczek, won in 2004 de nobelprijs voor de Natuurkunde. Gefotografeerd op de universiteit van Boston. Beeld Amy Lombard.

Dit is de laatste bijdrage voor de Volkskrant van wetenschapsredacteur Martijn van Calmthout. Vanaf 1 september is hij hoofd communicatie bij deeltjeslab Nikhef in Amsterdam.

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.