Dat zegt hoogleraar theoretische fysica Henk Stoof, trekker van het focusgebied. "Toen hier voor het eerst over de vorming van focusgebieden werd gesproken, dachten wij meteen aan een combinatie van theoretische fysica en wiskunde", zo begint hij zijn verhaal. "Met name de elementaire deeltjes fysica, het vakgebied waarin mensen als Gerard 't Hooft, Bernard de Wit en hun collega's de meest fundamentele natuurverschijnselen in een theorie proberen te vangen, is tegenwoordig niet meer goed denkbaar zonder geavanceerde wiskunde, dus die combinatie lag voor de hand.
"Later is besloten om de sterrenkunde aan dit focusgebied toe te voegen, en ook daarvoor is wat te zeggen. In de theoretische fysica groeit de belangstelling voor de Big Bang en voor de manier waarop het heelal is geëvolueerd, en de Utrechtse astrofysici kunnen ons dankzij hun geavanceerde apparatuur steeds beter van relevante data voorzien. De signalen die zij opvangen, hebben er vaak miljarden lichtjaren over gedaan om de aarde te bereiken, en bieden dus inzicht in de toestand van het heelal toen het nog veel jonger was."
Minder duidelijk is voor Stoof de beslissing om een groep nanowetenschappers uit het Debye Instituut met wie hij al jaren nauw samenwerkt, buiten het focusgebied te laten vallen. "De Utrechtse theoretische fysica bestaat ruwweg uit twee groepen, die nogal verschillende dingen doen. Naast de elementaire deeltjes fysica houden we ons ook bezig met complexe vloeistoffen en hun gedrag op temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Voor dat onderzoek is er veel minder contact met wiskundigen en astronomen, maar des te meer met groepen op het gebied van de fysica van nanodeeltjes. Die zitten echter niet in ons focusgebied, maar in Earth and Sustainability."
Dit is volgens Stoof extra jammer omdat op het laatste moment wel de subatomaire fysica aan zijn focusgebied is toegevoegd. "Op zich past dat prima, want in die groep doet men in het Alice-project in Genève experimenteel onderzoek naar elementaire deeltjes. Maar als er in dit focusgebied dan toch plaats is voor een groep die experimenten uitvoert, waarom dan niet ook voor groepen waarmee wij veel nauwer samenwerken? Ik dacht dat het de bedoeling van Focus & Massa was om muren af te breken, maar zo worden er juist muren opgetrokken die een al jaren bestaande vruchtbare samenwerking mogelijk kunnen belemmeren."
Binnen het focusgebied begint de samenwerking intussen enigszins op gang te komen. Bij het college van bestuur is een voorstel ingediend voor een project over de volle breedte van het onderzoek (zie elders in dit nummer), maar desondanks waarschuwt Stoof voor overdreven verwachtingen. "Er zullen hier dankzij Focus & Massa zeker dingen van de grond komen die anders niet gebeurd zouden zijn. Maar voor echt grootschalige vormen van samenwerking is dit niet de meest geschikte plek binnen de universiteit."
De financiering is een praktisch probleem, zegt Stoof. "Er wordt van ons verwacht extra extern geld binnen te halen, maar als ik als fysicus bij onze NWO-stichting FOM aanklop met een gecombineerd natuurkunde-wiskunde voorstel, dan weet ik het antwoord al: het wiskundige deel betalen we niet. En dat probleem hebben de wiskundigen en de astronomen ook. De Nederlandse subsidieloketten sluiten in deze hoek van de wetenschap niet goed aan op de Utrechtse filosofie achter Focus & Massa."
"Bovendien is het onderzoek in ons focusgebied in hoge mate curiosity driven en heeft het voor een belangrijk deel een individualistisch en kleinschalig karakter. Samenwerking vindt plaats met slechts enkele collega's die soms werkzaam zijn bij buitenlandse onderzoeksinstellingen. Daardoor is er sprake van een sterke internationale oriæntatie. Dat maakt het minder vanzelfsprekend dat dit focusgebied ooit als één grote groep zal gaan opereren. Maar ik verwacht niettemin dat Focus en Massa ook bij ons zeker wetenschappelijk spannende en belangrijke initiatieven zal opleveren."
Op weg naar de Theorie van Alles
Toen in september in de buurt van Genève de nieuwe deeltjesversneller LHC werd opgestart, was de wereld even in de ban van geheimzinnige begrippen als zwarte gaten en donkere materie. Inmiddels is de aandacht wat geluwd, vooral nu de versneller door een helium-lekkage zeker tot begin 2009 stil ligt, maar in het Utrechtse focusgebied Foundations of Science wordt met spanning uitgekeken naar de eerste resultaten.
In de afgelopen honderdvijftig jaar zijn natuurkundigen steeds dieper doorgedrongen in de mysterieuze wereld van elementaire deeltjes en de krachten die op ze inwerken. Met behulp van het zogeheten Standaardmodel, dat mede tot stand is gekomen dankzij het werk van de Utrechtse Nobelprijswinnaars 't Hooft en Veltman, kunnen veel fysische verschijnselen tegenwoordig goed worden verklaard. Toch zien natuurkundigen nog steeds legio dingen die zij niet begrijpen. Al decennia zijn zij daarom op zoek naar een betere theorie, de Theorie van Alles. (zie kader)
Eén van de mogelijke kandidaten voor die heilige graal van de theoretische natuurkunde, is de snaartheorie. Volgens die theorie is het een illusie om te denken dat elementaire deeltjes zoals elektronen, fotonen en quarks wezenlijk van elkaar verschillen. In feite corresponderen al die zogenaamde deeltjes met verschillende frequenties van één en hetzelfde trillende snaartje. Is dat al moeilijk voorstelbaar, nog ongelofelijker is het dat de snaartheorie alleen maar kan gelden als we aannemen dat we eigenlijk in een wereld van tien dimensies leven.
Een aanhanger van deze nog altijd omstreden theorie, is Stefan Vandoren. Op de vraag hoe je je in hemelsnaam een wereld met tien dimensies kunt voorstellen, reageert de van origine Vlaamse fysicus op zijn werkkamer in het Minnaertgebouw met een glimlach. "Dat lijkt misschien lastig, maar in feite is het niet zo moeilijk, althans niet op de schaal van elementaire deeltjes. Als je de aarde rondwandelt in één richting - dimensie - kom je vroeg of laat weer terug bij het beginpunt. Als je die cirkel nu kleiner en kleiner maakt, kun je er als mens misschien niet meer in bewegen, maar als elementair deeltje lukt je dat nog prima.
"Wij snaartheoreten denken dat de deeltjes zich behalve in de tijd en in onze drie klassieke ruimtelijke dimensies ook nog in zes opgerolde dimensies kunnen bewegen in cirkels die nog veel kleiner zijn dan een fractie van een nanometer. Zo'n cirkel is voor ons oog onzichtbaar, maar als de deeltjes maar klein genoeg zijn en hun energie groot genoeg, dan is het denkbaar dat ze in die extra dimensie een rondje lopen. In die tijd zijn ze even weg uit onze zichtbare wereld en op dat moment ontbreekt hier dus een beetje energie. Dat is een van de dingen die we in Genève hopen te meten."
Gekke dimensies
Onderzoek naar de snaartheorie vormt één van de hoekstenen van het onderzoeksvoorstel dat vanuit het Utrechtse focusgebied Foundations of Science bij het college van bestuur is ingediend. "Op dit terrein liggen goede mogelijkheden voor samenwerking tussen theoretisch fysici, wiskundigen en astronomen", zegt Vandoren. "Voor de wiskundigen ligt er de uitdaging om heel nieuwe wiskunde te ontwikkelen, want de structuren die te maken hebben met het oprollen van zes extra dimensies zijn zo complex dat ze niet met de bestaande mathematische kennis kunnen worden beschreven. Er zijn weinig fysici die de wiskunde van de snaartheorie goed begrijpen, maar hier in Utrecht zit bij de wiskundigen gelukkig veel expertise over de meetkundige aspecten van die gekke extra dimensies.
"Nu kun je je afvragen of je wel zoveel energie moet steken in een theorie, waarvan allerminst zeker is dat hij klopt. Wij kunnen als theoretici wel allerlei mooie dingen bedenken, maar we moeten maar afwachten of onze ideeën overeenkomen met de werkelijkheid. Maar ook als we er naast zouden zitten en de snaartheorie blijkt onbewijsbaar, dan nog is ons werk allesbehalve zinloos. In de wiskunde heeft het onderzoek zijn diensten al bewezen, en ook dat is wetenschappelijk van groot belang. Het is niet voor niets dat de samenwerking tussen theoretisch natuurkundigen en wiskundigen inmiddels al twee Fields medals (beschouwd als de Nobelprijzen voor de wiskunde, EH) heeft opgeleverd. Maar ik hoop natuurlijk op meer."
Dat meer is wat Vandoren betreft onder andere het oplossen van het probleem van de ooit door Einstein ingevoerde kosmologische constante (KC) en daarvoor komt de samenwerking met sterrenkundigen voor hem als geroepen. De KC is een maat voor de versnelling waarmee het heelal expandeert, en een groot probleem voor theoretici is dat die versnelling veel en veel kleiner is dan hij volgens hun theorie zou moeten zijn.
Vandoren: "Ooit is voorspeld dat de kosmologische constante ergens in de buurt van 10 tot de macht 85 electron-Volt zou moeten liggen. Dat is één van de meest beschamende voorspellingen die theoreten ooit gedaan hebben, want sinds een jaar of tien kunnen astronomen de versnelling van het heelal meten aan de hand van de straling van supernova's, en daardoor weten we nu dat de kosmologische constante juist heel erg klein is, 10 tot de macht -35 electron-Volt, dus net geen nul. Het is duidelijk geworden dat de oude berekeningen voor de waarde van de KC opnieuw moeten worden berekend, nu met behulp van een theorie voor de quantum-zwaartekracht zoals de snaartheorie. Dus eigenlijk hebben we nu dankzij de waarnemingen van astronomen voor het eerst een serieus aanknopingspunt dat de snaartheorie echt nodig is. Maar voor een steekhoudend bewijs voor die theorie is dat nog veel te weinig."
Exotische aantrekkingskracht
Een cruciale nieuwe stap in dat bewijs zou kunnen worden gezet als de experimenten in Genève het bestaan van supersymmetrie zouden aantonen. Vandoren. "Een van de intrigerende aspecten van de snaartheorie is dat hij het bestaan voorspelt van twee keer zoveel elementaire deeltjes als tot nu toe in experimenten zijn waargenomen. Als die voorspelling klopt, zou elk deeltje uit het standaardmodel een perfect symmetrisch superdeeltje moeten hebben. Tot nu toe hebben we geen van die supersymmetrische partners van onze elementaire deeltjes ooit gezien, maar de hoop is dat we ze in de deeltjesversneller zichtbaar kunnen maken.
"Als dat lukt, is dat ook van groot belang voor de astronomen, omdat het bestaan van superdeeltjes een van hun grootste raadsels kan oplossen. Uit waarnemingen van de massa van sterrenstelsels en van de snelheid waarmee ze rond hun as draaien, is namelijk berekend dat zij veel meer materie moeten bevatten dan tot nu toe uit waarnemingen kan worden afgeleid. Die ontbrekende materie is bij gebrek aan beter 'donkere materie' gedoopt, maar het lijkt plausibel dat het in feite gaat om supersymmetrische deeltjes."
Over de vraag wat de theoretische natuurkunde voor hem zo aantrekkelijk maakt, hoeft Vandoren niet lang na te denken. "Het leuke van dit vak is dat je je gedachten de vrije loop kunt laten. Je kunt heel exotische dingen bedenken, zoals het bestaan van tien dimensies en van supersymmetrie. Het gevaar is alleen dat je dingen bedenkt die niets meer met de natuur te maken hebben. Daarom moeten wij theoretici ons laten leiden door experimenten. De briljante theoretische natuurkundige is die natuurkundige die precies aanvoelt welk exotisch idee toch nog voldoende met de natuur te maken heeft om via experimenten te kunnen worden geverifieerd."
Niet voor niets kijkt ook een theoreticus als Vandoren daarom met spanning uit naar een hervatting van de experimenten in Genève. "Als daar inderdaad supersymmetrie gevonden wordt, dan zou dat wat mij betreft ÄÄn van de grootste wetenschappelijke triomfen zijn sinds de komst van de relativiteitstheorie en de kwantummechanica nu ruim honderd jaar geleden. Dan zouden we namelijk echt weten dat we op het goede pad zijn met de snaartheorie. Als we in GenÅve supersymmetrie meten, dan ben ik ervan overtuigd dat de Theorie van Alles er vroeg of laat gaat komen."
Theorie van Alles
Tot in het midden van de negentiende eeuw golden atomen als de kleinste bestanddelen van de materie en kende men alleen de zwaartekracht en de elektromagnetische kracht als verklaring voor fysische verschijnselen. Anderhalve eeuw later weten we dat atomen zijn opgebouwd uit kleinere deeltjes die zelf weer bestaan uit quarks. En naast de zwaartekracht en de elektromagnetische kracht kennen we nu ook de sterke en zwakke kernkracht
Om de verschijnselen op de schaal van de elementaire deeltjes goed te kunnen beschrijven, ontwikkelden fysici in het begin van de twintigste eeuw de quantummechanica. Vrijwel tegelijkertijd formuleerde Einstein zijn relativiteitstheorie om een aantal tot dan toe door de klassieke mechanica onbegrepen verschijnselen op kosmische schaal te kunnen verklaren. In hun eigen domein werken beide theorieën prima, maar een probleem is dat ze elkaar niet verdragen.
De quantummechanica werkt alleen goed onder de vooronderstelling dat er geen zwaartekracht bestaat. Op zijn beurt werkt de relativiteitstheorie alleen als we doen alsof we in een wereld leven waarvan de natuurwetten kunnen worden beschreven zonder gebruik te maken van de quantummechanica.
Al decennia lang proberen fysici deze tegenstelling te overbruggen met als uiteindelijk doel de zogeheten Theorie van Alles, één theorie die zowel kan worden toegepast op de deeltjesfysica als op het ontstaan van het heelal. Met behulp van die theorie zou de zwaartekracht naadloos kunnen worden ingepast in het zogeheten Standaardmodel, dat op basis van de andere drie krachten het gedrag van de elementaire deeltjes beschrijft. Een mogelijke kandidaat voor zo'n Theorie van Alles is de snaartheorie.
De vier krachten
1: De sterke kracht zorgt voor de binding van protonen en neutronen tot stabiele atoomkernen. Zij werkt onder normale omstandigheden niet buiten het gebied van de elementaire deeltjes.
2: De elektromagnetische kracht zorgt voor de binding van elektronen en atoomkernen tot atomen en van atomen tot moleculen. Zij zorgt voor de stabiliteit van alle materie waar we in het daglijks leven mee vertrouwd zijn.
3: De zwaartekracht zorgt ervoor dat voorwerpen elkaar aantrekken. Zij manifesteert zich vooral in voorwerpen met een grote massa. De zwaartekracht reguleert de beweging van de hemellichamen en zorgt dus voor stabiliteit in het heelal.
4: De zwakke kracht is een enigzins vreemde eend in de bijt. Als enige van de vier krachten zorgt zij niet voor samenhang, maar juist voor het verval van materie. Deze kracht is onder meer de oorzaak van radioactiviteit.
Kleine deeltjes door de ogen van prmovendi
In het focusgebied Theoretische Fysica werken talloze promovendi aan hun promotieonderzoek. Op deze pagina de verhalen van Marta Verweij (25) van subatomaire fysica en de Italiaanse astrofysicus Matteo Cantiello (28).
Marta Verweij: Terug naar de Oerknal
Doel: Alle materie bestaat uit quarks, elementaire deeltjes die bij elkaar worden gehouden door gluonen. Volgens de theorie moeten de quarks vlak na de Oerknal echter een korte tijd vrij hebben bewogen in een toestand die we quark-gluon plasma noemen. In de deeltjesversneller in Genève gaan we de Oerknal imiteren om te zien of die theorie klopt. We gaan loodkernen bij extreem hoge snelheden op elkaar laten botsen en hopen dat we bepaalde deeltjes kunnen detecteren, waarvan we weten dat ze wijzen op de aanwezigheid van quark-gluon plasma. Om die deeltjes te meten is, onder meer hier in Utrecht, de ALICE-detector gebouwd.
Reden: Om meer te weten te komen over de sterke kracht, een van de vier krachten in de natuur. Op dit moment heeft onderzoek naar de fundamentele eigenschappen van de natuur misschien geen directe invloed op ons dagelijks leven, maar wat niet is, kan komen. Puur fundamenteel onderzoek is al vaker op heel onverwachte manieren toepasbaar gebleken.
Jouw werk: In afwachting van de start van ons experiment draai ik op de computer simulaties van de botsingen van loodkernen. Ik maak gebruik van software die over de hele wereld geschreven is en voeg daar mijn eigen stukje aan toe. Zo hopen we beter zicht te krijgen op wat er precies tijdens zo'n botsing gebeurt en komen we goed beslagen ten ijs als we de resultaten van het ALICE-experiment gaan analyseren.
Aantrekkelijk: Ik vind de deeltjesfysica al vanaf mijn eerste jaar fascinerend. En het is natuurlijk geweldig om in Genève tussen al die wetenschappers en technici rond te lopen. Even koffie met iemand gaan drinken en je leert meer dan in drie weken hier. Ik ga er zeker weer heen.
Matteo Cantiello: Licht van drie miljard jaar oud
Doel: Ik bestudeer de fysica van sterren. Sommige sterren eindigen hun leven in een explosie, een supernova, die zo spectaculair is dat hij tot op een afstand van drie tot vier miljard lichtjaar zichtbaar is. Dat betekent dus dat we licht zien van sterren die drie tot vier miljard jaar geleden zijn gestorven. Van supernova's van een bepaald type (Ia) is bekend dat zij allemaal dezelfde lichtsterkte hebben. Omdat we dat weten, kunnen we aan de hand van de hoeveelheid licht die de aarde bereikt, bepalen hoe ver ze van ons vandaan staan. Vandaar dat deze supernova's worden gebruikt als 'kosmologische meetlat'.
Reden: Volgens de wetten van de zwaartekracht zou de snelheid waarmee
het heelal uitdijt, moeten afnemen. In feite blijkt die snelheid echter
juist groter te worden. Dat betekent dat het heelal voor altijd zal blijven uitdijen. Verantwoordelijk daarvoor is een kracht die fysici 'donkere energie' noemen. Om de omvang van die versnelling te bepalen, vergelijken astronomen de snelheid waarmee supernova's zich tegenwoordig en in vroegere periodes van het heelal van ons weg bewegen. Maar daarvoor moeten ze uiteraard precies weten uit welke periode van het heelal het licht van zo'n supernova afkomstig is, of met andere woorden, op welke afstand hij van de aarde staat.
Jouw werk: Ik zit voornamelijk achter mijn computer om met behulp van een
theoretisch model te simuleren wat er gebeurt in sterren. Doel van dat onderzoek is onder meer om de eigenschappen van supernova's te kunnen voorspellen, zodat we hun afstand tot de aarde zo precies mogelijk kunnen bepalen.
Aantrekkelijk: Ik vind het heel opwindend en uitdagend om meer te gaan begrijpen van objecten en gebeurtenissen zo ver van ons vandaan in ruimte en tijd. Dat kan ons meer inzicht geven in de toekomst van het heelal waarin we leven.